作物的抗旱性是一個由多基因控制的數(shù)量性狀。因?yàn)榭购当硇丸b定的困難性，作物抗旱性遺傳機(jī)制的解析一直是非生物逆境研究的一個難點(diǎn)。新興的高通量表型組學(xué)技術(shù)能有效解決精準(zhǔn)表型鑒定的難題。通過高通量和多維度表型組學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合高通量的重測序技術(shù)更有利于全面解析作物抗旱的遺傳特性、準(zhǔn)確挖掘干旱候選基因。

近日，國際知名植物學(xué)期刊Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室棉花團(tuán)隊(duì)與表型團(tuán)隊(duì)合作的題為“Phenomics-based GWAS Analysis Reveals the Genetic Architecture for Drought Resistance in Cotton”的研究性論文。

該研究在2015年和2017年分別對200份棉花核心種質(zhì)資源在苗期進(jìn)行輕度和重度干旱脅迫處理，并設(shè)置干旱后復(fù)水處理。利用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自動化的高通量表型組平臺對棉花苗期進(jìn)行了動態(tài)的、多維度表型鑒定，共采集、提取到119個數(shù)字化形態(tài)和紋理特征（i-traits）。


研究發(fā)現(xiàn)，表型組平臺可以精準(zhǔn)地采集株高等傳統(tǒng)人工采集指標(biāo)，同時(shí)可多維度的采集相關(guān)農(nóng)藝性狀指標(biāo)并數(shù)字化；另外，除了可作為干旱響應(yīng)的株高等傳統(tǒng)指標(biāo)外，作者從形態(tài)特征和紋理中鑒定到能準(zhǔn)確反映棉花在苗期響應(yīng)干旱脅迫的多個非人工獲得性i-traits指標(biāo)（PD、RF及ET_G等）。結(jié)合偽彩圖顯示，敏旱材料相對于抗旱材料在干旱條件下表現(xiàn)出更高的高維度PD值，同時(shí)，敏旱材料和抗旱材料在干旱脅迫下呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。因此，部分i-traits（如PD、RF及ET_G等）經(jīng)驗(yàn)證可以作為新型的抗旱指標(biāo)。



基于這119個i-traits的抗旱系數(shù)（DRC），作者結(jié)合重測序數(shù)據(jù)，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析的方法鑒定到了390個與干旱相關(guān)的QTL。在這些QTL中，不僅鑒定到了前人已發(fā)表的如GhRD2, GhNAC4等基因，還有一些未報(bào)道的基因。作者進(jìn)一步結(jié)合抗感材料的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，在ChrA04號染色體上被多個性狀共同關(guān)聯(lián)到的一個QTL內(nèi)鑒定到了受干旱誘導(dǎo)顯著上調(diào)表達(dá)的兩個unannotated基因Gh_A040377、Gh_A040378 （GhDNRs），并通過VIGS實(shí)驗(yàn)結(jié)合相關(guān)i-traits在干旱敏感性不同材料中驗(yàn)證其負(fù)調(diào)控棉花的抗旱性。

此項(xiàng)研究結(jié)合高通量表型組、基因組以及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，促進(jìn)了表型組學(xué)在棉花遺傳改良研究中的應(yīng)用，也是表型組學(xué)中第一篇棉花抗旱方向的研究性論文。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生李保奇為該論文第一作者，植科院楊細(xì)燕教授和工學(xué)院段凌鳳副教授為該論文通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花團(tuán)隊(duì)張獻(xiàn)龍教授、林忠旭教授、王茂軍教授、表型團(tuán)隊(duì)楊萬能教授和新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所余渝研究員等參與了研究工作。該研究依托華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺，受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。

Plant Biotechnology Journal原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13431