《The Plant Genome》：Genetic dissection and transcriptomic analysis of a novel high-tillering phenotype in rice derived from weedy rice (Hapcheonaengmi3) and Tongil-type Rice (Milyang23)
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水稻分蘖是决定产量的核心性状，但高非生产性分蘖的遗传机制尚不明晰。本研究通过QTL-seq和连锁分析，在栽培稻Milyang23与杂草稻Hapcheonaengmi3的杂交后代中鉴定到一个新颖的高分蘖(HT)表型，并定位了两个主效数量性状位点qHT1和qHT6。转录组分析揭示HT植株的激素信号通路（如赤霉素、生长素、细胞分裂素）以及miR156–SPL调控模块发生了广泛重编程。该研究不仅阐明了一种新型多基因互作调控水稻分蘖的机制，也为挖掘杂草稻中隐藏的遗传变异用于水稻育种提供了重要见解。
粮食安全是人类社会面临的永恒挑战。作为全球半数以上人口的主食，水稻的产量直接关系到无数人的饭碗。决定水稻产量的因素有很多，其中，植株的“长相”——或者说“株型”——尤为关键。一个理想的水稻植株应该能最大限度地利用阳光和养分，结出更多饱满的谷穗。在构成理想株型的众多要素中，“分蘖”是一个核心指标。所谓分蘖，可以通俗地理解为水稻茎秆基部长出的新分枝，每个有效的分蘖未来都可能发育成一个结穗的“枝头”。因此，在传统观念里，“多分蘖”往往与“高产量”划等号，成为育种家孜孜以求的目标。
然而，事情并非如此简单。水稻的分蘖并非越多越好，也并非所有分蘖都能“修成正果”。那些在生长后期从植株较高节位冒出的、细弱且往往不能正常抽穗结实的“非生产性分蘖”，不仅无法贡献产量，反而会与主茎及其他有效分蘖争夺宝贵的养分和能量，成为植株的负担。长期以来，科学界对如何增加有效分蘖的研究颇多，但对于这些“无效”或“高节位”分蘖为何产生、其背后的遗传密码究竟是什么，却知之甚少。与此同时，在自然界中，与栽培稻相伴相生的“杂草稻”常常被视为农田害草，但其在严酷自然选择下保留的丰富遗传变异，是否蕴藏着改良栽培稻的宝贵钥匙？这是一个极具吸引力却充满未知的领域。
正是为了解开高非生产性分蘖的遗传黑箱，并探索野生近缘种中的“隐秘”遗传资源，由Kyu-Chan Shim等人组成的研究团队开展了一项深入研究。他们在一份由韩国统一型(Tongil-type)优良栽培稻品种Milyang23与韩国杂草稻Hapcheonaengmi3杂交衍生的渗入系群体中，意外发现了一个独特植株，命名为CR40。这个植株展现出一个前所未有的“高分蘖”(High-Tillering, HT)表型：它在开花期之后，会从茎秆较高的节位反复产生新的分蘖，形成一种持续的、多节位的分枝模式，这与常规水稻仅在基部早期分蘖的模式截然不同。更有趣的是，这一奇特表型在其双亲Milyang23和Hapcheonaengmi3中均未观察到，暗示它是双亲特定等位基因在杂交背景下“碰撞”产生的全新性状。相关研究成果已发表在植物科学领域的知名期刊《The Plant Genome》上。
为了揭示HT表型的遗传基础，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们利用QTL-seq（数量性状位点测序）技术，对基于HT表型构建的混合样本（HT组与非HT组）进行高通量测序和生物信息学分析，快速扫描全基因组，定位与性状相关的染色体区域。其次，为了验证和精细定位初步发现的位点，他们构建了一个由HT表型更强株系HT35与Milyang23杂交得到的F2分离群体，利用基于亲本间多态性开发的InDel（插入缺失）标记进行基因分型，并进行了传统的连锁分析。此外，为了从分子层面阐释表型成因，他们对HT材料（HT35）和野生型（Milyang23）的叶片和节部组织进行了RNA-seq（转录组测序），系统分析了基因表达的全局变化、差异表达基因的功能富集以及关键通路的扰动情况。全基因组重测序被用于分析亲本间在候选基因区域的序列变异。
3.1 HT突变体的表征
研究发现，HT突变体CR40的分蘖模式与正常水稻根本不同。正常水稻的分蘖发生在生长早期且集中于近地表的节位，而CR40的分蘖起始于开花期之后，并从茎秆的较高节位重复长出细小的次级分蘖，形成一种“多层楼”式的特殊结构。这一表型在双亲中均未出现，表明其可能涉及多于一个位点的互作。
3.2 HT位点的定位
通过对CR40与Milyang23杂交后代群体的表型评分和QTL-seq分析，研究人员在染色体1和6上鉴定到三个与HT表型显著相关的基因组区域，分别命名为qHT1、qHT6.1和qHT6.2，且这些位点上来自杂草稻Hapcheonaengmi3的等位基因具有促HT效应。
3.3 HT数量性状位点的验证与精细定位
为进一步验证，研究利用HT35与Milyang23杂交构建的F2群体进行了连锁分析。结果将qHT1精细定位到染色体1上418 kb的区间，将qHT6精细定位到染色体6上106 kb的区间，确认了这两个位点在HT表型形成中的重要作用，且qHT1的贡献率略高于qHT6。2 population. The logarithm of odds (LOD) score was calculated using a permutation test with 1000 iterations at a 0.05 significance level. QTL analysis was performed using the ICIM-ADD method in QTL IciMapping version 4.2. The black line represents the LOD score across the chromosome, while the red diamond markers indicate the positions of InDel markers used for the analysis. The dashed horizontal line represents the significance threshold (LOD = 2.4076).">
3.4 qHT1和qHT6的候选基因分析
在精细定位区间内，研究人员通过生物信息学分析寻找候选基因。在qHT6区间内发现了一个编码SPL（SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE）转录因子的基因OsSPL10。通过对qHT1区域进行更高分辨率的滑动窗口分析，发现了一个300 kb的候选区间（qHT1.2），其中包含初级微RNA基因pri-miR156b/c。已知miR156可通过切割靶mRNA负调控SPL基因的表达，两者构成的miR156–SPL模块是调控植物发育（包括分蘖）的关键。序列分析发现，亲本Milyang23的OsSPL10基因存在编码区非同义突变和启动子区变异，而pri-miR156b/c的变异主要位于启动子区。转录组数据进一步显示，在HT材料中，pri-miR156b/c和OsSPL10的表达水平发生了剧烈变化，且整个SPL基因家族的表达谱被广泛重塑，强烈提示miR156–SPL调控网络的紊乱是驱动HT表型的核心分子事件。
3.5 HT株系的综合转录组分析
对HT材料和野生型的叶片、节部组织的转录组比较分析表明，两者在基因表达上存在广泛差异。基因本体（GO， Gene Ontology）和京都基因与基因组百科全书（KEGG， Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）通路富集分析发现，HT材料中光合作用相关通路基因上调，而植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等通路基因显著下调，提示激素通路在HT发育中可能扮演重要角色。
3.6 C1和C6中植物激素相关基因的表达分析
进一步聚焦植物激素相关基因发现，HT材料中赤霉素（GA， Gibberellin）、生长素（Auxin）、细胞分裂素（Cytokinin）等多种激素的生物合成与信号转导相关基因表达发生了显著改变。例如，赤霉素生物合成基因（如GA20ox）、细胞分裂素氧化酶基因（如OsCKX2）、生长素响应基因（如OsIAA30）等均呈现差异表达。这表明HT表型的形成伴随着植物激素网络的广泛重编程，复杂的激素交叉对话可能共同调控了高分蘖的发生。
本研究的主要结论与讨论围绕以下几个核心点展开：
首先，HT表型是一种由新颖的等位基因互作产生的“涌现”性状。该表型在双亲中均不存在，仅在杂草稻Hapcheonaengmi3的qHT1和qHT6位点等位基因被导入到栽培稻Milyang23的遗传背景中时才出现。这表明HT受多基因（至少两个位点）控制，其遗传基础是复杂的，属于上位性互作的结果。这解释了为何此前未在栽培稻或杂草稻中报道过此类表型，也凸显了杂交背景下“隐秘变异”被激活产生新性状的现象。
其次，研究通过多群体映射成功解析了qHT1和qHT6位点。创新性地采用了逐步缩小滑动窗口参数的QTL-seq精细定位策略，将qHT1区域进一步解析为qHT1.1和qHT1.2两个候选区间。尽管不同分析方法（基于物理位置的QTL-seq和基于遗传重组的连锁分析）定位的峰值存在细微偏差，但共同证实了这两个染色体区域的重要性。位于qHT6的候选基因OsSPL10（一个SPL转录因子）和位于qHT1.2的候选基因pri-miR156b/c，共同指向了已知调控植物发育（包括分蘖）的关键miR156–SPL模块。
第三，候选基因与miR156–SPL调控模块被确定为关键调控因子。序列分析发现亲本间在OsSPL10和pri-miR156b/c位点存在变异。更重要的是，转录组分析显示，在HT材料中，pri-miR156b/c的表达量急剧上升，而多个SPL家族基因（包括OsSPL10）的表达也发生显著变化。这表明，来自杂草稻的等位基因可能通过改变miR156的表达，进而扰动其对下游SPL靶基因的调控，最终导致分蘖发育程序的异常，在开花后仍持续激活高位节位的腋芽，形成HT表型。这一发现将一种新的自然等位基因变异与一个保守的发育调控模块联系起来。
第四，转录组图谱揭示了广泛的激素重编程。除了miR156–SPL模块，HT材料在赤霉素、生长素、细胞分裂素等多种激素通路的基因表达上表现出广泛而深刻的变化。这暗示HT表型的形成并非由单一通路驱动，而是涉及一个复杂的激素信号网络重构。不过，这些激素相关变化是HT表型的起因还是其结果，仍需通过激素定量等实验进一步验证。
最后，该研究对水稻育种具有重要启示。它证明了常被视为害草的杂草稻，实则是宝贵遗传变异的储藏库。其携带的“隐秘”等位基因在与栽培稻特定遗传背景结合时，能产生全新的、有潜在利用价值的株型性状。尽管本研究中发现的HT表型本身（高非生产性分蘖）可能不利于直接增产，但阐明其背后的多基因互作机制和miR156–SPL模块的调控作用，为未来通过精准设计改造分蘖模式、优化水稻株型提供了新的基因资源和理论依据。这项研究不仅增进了对水稻分蘖复杂遗传调控网络的理解，也开辟了利用野生近缘种遗传多样性进行作物改良的新思路。
