近日，国际期刊《自然·通讯》nature communications在线发表了我校水稻团队吴昌银教授和谢为博教授课题组的研究论文“transcriptome-wide association analyses reveal the impact of regulatory variants on rice panicle architecture and causal gene regulatory networks”。该研究获取了275份代表性水稻品种1-2 mm幼穗的转录组数据，揭示了顺式调控变异在水稻驯化或育种过程中的选择印迹及其对穗型性状的影响，开发了一种新方法用于鉴定因果基因及解析基因调控网络。基于该方法鉴定了sdt/mir156j和osmads17等36个影响每穗颖花数的候选因果基因，发掘并验证了osmads17在热带粳稻中的优异单倍型，并解析了osmads17对sdt/mir156j的调控关系。
每穗粒数是育种中提高水稻产量的关键性状。因此，深入挖掘每穗粒数相关基因，解析种质资源中每穗粒数变异的遗传基础和调控机制，对于培育高产水稻品种具有重要的指导意义。近年来，全基因组关联分析（gwas）已被广泛应用于植物领域，以探索丰富的自然变异。然而，由于水稻基因组的连锁不平衡衰减距离较大，以及每穗粒数遗传基础的复杂性，目前通过gwas鉴定的控制每穗粒数的功能基因还较少，每穗粒数相关基因间的调控网络也有待进一步解析。因此亟需开发新方法和新策略来解决这些问题。
该研究获取了275份代表性水稻品种枝梗和颖花原基分化期幼穗（1-2 mm）的转录组数据，将每穗颖花数（spp）、一次枝梗数以及穗长这3个穗型性状分别与基因的表达水平进行关联分析（twas），分别检测到4175、5844和6839个显著关联基因。这些twas显著基因包含许多已知穗发育相关基因，以及大量的可能对穗发育起重要作用的新调控因子。通过对穗型性状和twas显著基因表达量的方差组成进行剖析，发现spp的表型变异主要受大量小效应gwas位点调控，且twas显著基因的转录水平也主要受小效应gwas位点调控从而影响spp，表明spp遗传基础和调控网络的复杂性。
图1 研究概貌
基因表达变异在很大程度上受cis-eqtl的调控，但cis-eqtl在驯化或育种过程中是否受到选择，以及这种选择对作物的性状有怎样的影响目前鲜有研究。该研究通过对基因cis-eqtl的衍生等位基因频率（daf）进行分析，发现随着daf升高，变异位点作为cis-eqtl的比例逐渐增加，表明cis-eqtl在水稻驯化或育种过程中受到选择。科研人员进一步研究发现，频率高的衍生等位基因，更倾向于上调spp正相关基因的表达或下调spp负相关基因的表达，即倾向于对spp有正效应，而频率低的衍生等位基因的倾向性则相反。这个结果表明，在水稻驯化或育种过程中，能提升spp的衍生等位基因受到正向选择，而对spp有负效应的衍生等位基因则受到负向选择。
该研究进一步开发了一种方法用于鉴定影响表型的因果基因。在人类医学研究中，近年来已开发了一些方法，根据基因表达变异的顺式组分（由顺式调控变异引起，cis-ec）与表型之间的相关性来识别影响表型的因果基因。然而，由于存在连锁不平衡，用这些方法鉴定的基因也容易出现假阳性。在此基础上，该研究将基因的表达量分解为顺式组分和反式组分（由反式变异引起，trans-ec），然后将顺式和反式组分分别与表型进行关联分析（cis- &trans-ecas），并筛选顺式和反式组分都与表型关联的基因作为候选因果基因（图2a）。该策略能有效克服连锁不平衡导致的假阳性问题。通过该方法，研究者鉴定了36个影响spp的候选因果基因，其中包括sdt以及新基因osmads17（排名分别为第1和第2），它们的表达均负调控spp（图2b）。虽然osmads17和sdt附近的变异位点与spp之间的关联都较弱（p > 1´10-5），但该方法仍能有效识别这两个基因，说明该方法能有效识别即使是小效应位点上的因果基因。此外，研究者发现这36个基因的cis-eqtl对spp具有较好预测能力，聚合这些位点上的有利等位基因或可以进一步提高水稻产量。
图2通过顺式和反式表达组分关联分析（cis- & trans-ecas）鉴定因果基因
该研究进一步使用上述方法，将具体基因的表达量作为一种分子性状来鉴定具体基因的上游调控因子，从而解析基因的因果调控网络。通过这种方式，研究者推测osmads17可能是64个spp twas显著基因的上游调控因子，其中包括sdt，并且osmads17正调控sdt的表达（图3j）。结合atac-seq数据等信息，研究者推测osmads17可能通过结合sdt tss上游4.2-4.4 kb处的一个远端开放染色质区（docr）来调控sdt的表达。双荧光素酶报告试验（图3d, e）和emsa实验对这一调控机制进行了验证。由于sdt编码的mir156j是ipa1的负调控因子，该研究揭示了osmads17通过上调sdt表达从而负调控ipa1以减少spp的调控机制。
图3. osmads17调控sdt的转录并影响spp
最后，该研究对osmads17的功能和育种应用进行了验证。与野生型相比，cr-osmads17敲除系的spp增加了19.2％（图3f-i）。将osmads17低表达的等位基因导入到含高表达等位基因的材料中，能使spp增加18.5%。osmads17的优良等位基因在热带粳稻中的频率较高，而在种植面积较大的温带粳稻和籼稻中的频率较低，因此其在提高主要栽培种的穗粒数和产量方面具有较大潜力。
总之，该研究揭示了顺式调控变异在水稻驯化或育种过程中的选择印迹及其对穗型性状的影响，并开发了一种方法用于鉴定因果基因及解析基因调控网络，该方法可能在作物复杂性状的研究中很有作用。鉴定的因果基因及其调控网络，不仅为穗型性状的调控机制提供了新的见解，也为水稻的分子育种提供了有用资源。
华中农大作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室谢为博教授和吴昌银教授为该论文共同通讯作者，博士生明路长、已毕业博士符德保为该论文共同第一作者。王磊研究员、李旭副研究员和美国韦恩州立大学医学院的魏巨龙博士等对该研究提供了指导帮助。该研究得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、湖北省国家重点研发计划、hzau-agis合作基金和湖北省洪山实验室基金资助。