中国农科院麻类所刘头明团队揭示苎麻产量性状遗传机制及育种选择历史

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苎麻是我国特有的纤维作物，已有数千年的种植历史。苎麻纤维属于韧皮纤维，具有纤维束长、拉伸力强、透气性好等特点，是一种高档纺织原料。然而，当前有关苎麻纤维性状形成的遗传机制仍知之甚少，严重阻碍了苎麻纤维性状遗传改良。

图：苎麻

2021年9月24日，中国农业科学院麻类研究所刘头明研究员团队联合长沙学院、上海欧易生物医学科技有限公司相关团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为 Resequencing of 301 ramie accessions identifies genetic loci and breeding selection for fiber yield traits研究论文，通过对301份栽培苎麻全基因组重测序和纤维产量性状GWAS分析，系统解析了产量性状遗传结构。此外，该研究还分析了栽培种基因组的选择清除区间，鉴定到多个纤维产量基因的育种选择印迹。

研究人员对254份农家种，13份育种亲本及34份栽培种进行Illumina测序，共鉴定到5,951,826个SNPs和781,484个indels，基因组中平均每kb达到24.9标记。对纤维产量及其构成因子性状关联分析，共检测到129个显著关联的信号（P < 10^-6）。苎麻LD衰退速度快，栽培种和农家种的LD半衰减距离仅分别为1.3 kb和0.65 kb。因此，为鉴定候选基因，研究人员仅筛选关联信号位于基因区间内的基因予以深入分析。最后共鉴定到48个纤维产量及其相关性状候选基因，如SBP-box基因Bnt09G014694，NAC蛋白基因Bnt03G004997，COBRA-like基因Bnt10G014913。值得注意的是，这三个候选基因均与拟南芥纤维次生壁发育基因同源，深入分析它们纤维发育期表达谱或在拟南芥中过量表达分析都证实这些基因与纤维生长相关。过氧化物酶是控制纤维次生壁生物合成的关键酶。研究人员鉴定到一个过氧化物酶基因Bnt10G015830，该基因内多个SNP均与纤维产量、茎皮重性状显著关联。表达分析发现该基因在纤维发育期间呈现下调表达。分析301个重测序样本中Bnt10G015830基因型，发现六个品种的基因编码区存在单碱基插入，导致了移码突变，而这六个品种都表现纤维高产（图一）。这些证据共同支持Bnt10G015830为纤维产量性状候选基因，其负向控制着纤维生长。

图一 过氧化物酶基因Bnt10G015830可能负向控制纤维生长

研究人员鉴定到一个脆杆苎麻种质“1380”，其茎皮薄，几乎不含纤维。利用该种质构建了一个F₂分离群体，并绘制遗传图谱，QTL分析仅在第14染色体检测到一个茎皮厚度性状主效QTL（图二）。GBS重测序深入分析40个极端表型的F₂后代，进一步将QTL精细定位到168 kb区域。值得注意的是，研究人员发现该区域存在一个与纤维产量等性状相关联的信号峰。这些关联SNPs位于果胶甲酯酶基因Bnt14G019616内。果胶是植物初生壁主要成分，由高尔基体分泌。新分泌的果胶高度甲酯化，需要经果胶甲酯酶的脱酯化修饰方能参与到细胞壁合成。但是，对于果胶甲酯酶是否参与到次生壁发育，目前尚无报道。为证实Bnt14G019616在纤维发育中的功能，研究人员分析了其表达模式，发现在纤维发育期Bnt14G019616的mRNA和蛋白水平均呈现下调表达。拟南芥中过量表达Bnt14G019616，亦发现转基因植株的茎部纤维束减少。研究人员也测定了“1380”种质和其它9个苎麻栽培种的茎皮果胶含量和纤维产量，发现“1380”的果胶含量显著高于其它品种，10个品种中果胶含量和纤维产量呈现显著负相关。基于这些证据，研究人员推测果胶酶基因Bnt14G019616为该QTL候选基因，其负向控制纤维产量和茎皮厚度。

为进一步明确“1380”中Bnt14G019616基因的自然变异，研究人员Sanger测序比较了上述F₂群体亲本“1380”和湘苎1号的Bnt14G019616序列变异，发现在基因编码区仅存在三个同义突变，但在启动子区域存在大量变异，包括存在于“1380”中的四个缺失变异。表达分析也发现，Bnt14G019616 在“1380”中表达水平显著高于湘苎1号。研究人员也分析了候选基因在上述10个品种茎皮中的表达水平，发现Bnt14G019616表达丰度与茎皮果胶含量显著正相关，但与纤维产量显著负相关。据此，研究人员推断，“1380”中Bnt14G019616启动子变异，导致其表达水平上升，进一步负向控制了纤维的生长。

图二 “1380”种质中脆杆候选基因鉴定

我国苎麻育种始于建国后，育种历史较短。苎麻育种策略一般是以表现较好的农家种为材料，通过杂交和系选来获得新品种。为明确当前主栽育成品种系谱历史，研究人员比较了栽培种和农家种的核苷酸多样性，以筛选苎麻基因组中的选择性清除区域，发现了173个基因组片段在苎麻育种过程中受到了强烈选择，其总长度为17.5 Mb，含1,128个基因。结合纤维发育不同时期的转录组和蛋白组数据，发现156个纤维发育相关的基因受到了育种选择。有意思的是，研究人员发现，选择性清除区域主要分布于苎麻第9染色体，而第9染色体的近40%的基因组区域在育种过程中受到了集中选择。苎麻纤维主要从茎皮中剥取，因此株高是苎麻纤维产量性状的关键决定因子，而赤霉素是促进植株株高生长的关键激素。该团队曾发现两个赤霉素合成相关的GA2ox基因（Bnt13G019022 and Bnt13G019023）驯化过程中受到了强烈选择。在这里，研究人员发现这两个基因在育种过程中进一步得到选择。DELLA蛋白是赤霉素信号途径关键基因，苎麻基因组中共鉴定到两个DELLA基因。值得注意的是，研究人员发现其中一个DELLA基因Bnt09G013717受到了育种选择。等位频率分析发现Bnt09G013717共存在8个单倍型，其中四个单倍型仅存在于农家种苎麻（Hap3和Hap7），另外两个单倍型则主要存在于栽培种苎麻中（Hap4和Hap6）。有意思的是，农家种特有的Hap3和Hap7与广泛分布于栽培种中的Hap4仅存在一个单碱基变异（图三b）。因此，这两个单碱基变异可能与株高表型相关，故在育种过程中受到重点选择。

图三 苎麻纤维产量基因的育种选择

中国农业科学院麻类研究所博士研究生曾铮，朱四元研究员，王延周副研究员、硕士研究生白雪花为论文共同第一作者，中国农业科学院麻类研究所刘头明研究员为论文通讯作者。长沙学院陈建荣教授，上海欧易生物医学科技有限公司相关人员均参与了本研究工作。本研究受到国家自然科学基金，中国农业科学院农业科技创新工程，中央公益性基本业务费，湖南省自然科学基金和现代农业产业技术体系等项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13714