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リンケージマッピングとゲノムワイドアソシエーション研究に基づく芽期ジャポニカイネのアルカリ耐性のQTLマッピングと候補遺伝子解析
QTL Mapping and Candidate Gene Analysis for Alkali Tolerance in Japonica Rice at the bud Stage Based on Linkage Mapping and Genome-Wide Association Study.
PMID: 32676742 DOI: 10.1186/s12284-020-00412-5.
抄録
背景:
塩分-アルカリ性ストレスは、米の生産を制限する大きな要因の一つである。アルカリ性塩ストレスによる被害は、中性塩ストレスによる被害よりも深刻である。イネの芽吹き段階でのアルカリ耐性は、直播栽培モデルを用いた場合、苗の生存率や最終収量に直接影響する。しかし、イネ育種家がアルカリ耐性を改善するための遺伝資源（QTLや遺伝子）は限られている。本研究では、リンケージマッピングとゲノムワイドアソシエーション研究（GWAS）を組み合わせて、芽吹き段階のジャポニカイネにおける本形質の遺伝的構造を解析した。
BACKGROUND: Salinity-alkalinity stress is one of the major factors limiting rice production. Damage caused by alkaline salt stress is more severe than that caused by neutral salt stress. Alkali tolerance at the bud stage in rice directly affects seedling survival and final yield when using the direct seeding cultivation model. However, genetic resources (QTLs and genes) for rice breeders to improve alkali tolerance are limited. In this study, we combined linkage mapping and a genome-wide association study (GWAS) to analyze the genetic structure of this trait in japonica rice at the bud stage.
結果:
184 の組換え近交配系統（RIL）の集団を用いて、対照条件（RL）、アルカリストレス（ARL）、相対根長（RLL）の定量的形質遺伝子座（QTL）のマップを作成した。その結果、11番染色体上にアルカリ耐性に関連する主要なQTLであるqAT11が検出された。興味深いことに、GWASにより、アルカリ耐性と有意に関連するqAT11のリードSNP（Chr_21,999,659）が同定された。リンケージ不平衡（LD）、ハプロタイプ解析、定量的リアルタイムPCRによるフィルタリングを行った結果、3つの候補遺伝子（LOC_Os11g37300、LOC_Os11g37320、LOC_Os11g37390）を得た。また、LOC_Os11g37390のCRISPR/Cas9変異体について表現型の検証を行った。
RESULTS: A population of 184 recombinant inbred lines (RILs) was utilized to map quantitative trait loci (QTLs) for the root length under control condition (RL), alkaline stress (ARL) and relative root length (RRL) at the bud stage. A major QTL related to alkali tolerance at the rice bud stage, qAT11, was detected on chromosome 11. Interestingly, a GWAS identified a lead SNP (Chr_21,999,659) in qAT11 that was significantly associated with alkaline tolerance. After filtering by linkage disequilibrium (LD), haplotype analysis, quantitative real-time PCR, we obtained three candidate genes (LOC_Os11g37300, LOC_Os11g37320 and LOC_Os11g37390). In addition, we performed phenotype verification on the CRISPR/Cas9 mutant of LOC_Os11g37390.
結論:
これらの結果から、LOC_Os11g37300、LOC_Os11g37320、LOC_Os11g37390は、ジャポニカ米のアルカリ耐性に寄与する遺伝子の候補であることがわかった。この研究は、イネのアルカリ性ストレスに対する応答を改善することを目的とした育種のための資源を提供するものである。
CONCLUSION: Based on these results, LOC_Os11g37300, LOC_Os11g37320 and LOC_Os11g37390 were the candidate genes contributing to alkaline tolerance in japonica rice. This study provides resources for breeding aimed at improving rice responses to alkalinity stress.