浅谈干旱胁迫下，葡萄气孔导度相关的候选基因和SNP

编辑|清墨史纪

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气候变化正在强烈影响人类生活和自然系统，对全球农业产生巨大影响，因此葡萄栽培也必须面对这些新的环境条件。

干旱是非生物胁迫源中的主要因素，主要影响植物生理。因此，了解植物对缺水反应的复杂性对研究人员提出了重大挑战。

葡萄藤被认为是一种相对耐旱的植物，因此气候变化对葡萄栽培可持续性的影响是激烈争论的主题。

然而，减少葡萄树用水量和提高用水效率的策略是未来的基础，缺水严重影响果实品质，并导致作物产量大幅损失。

特别是，长期干旱可能会对即将到来的生长季节产生影响，并可能增强对生物害虫或病原体的易感性。

干旱胁迫反应是细胞和系统水平上复杂而动态的生理、生化和分子过程的结果。缺水导致营养发育，气孔导度和木质部水力传导率降低。

同样，干旱诱导机制抵消ROS的有害影响，调节细胞稳态和改善吸水。植物水分平衡的调节也受到抗根瘤蚜砧木的强烈影响。

根瘤蚜在耐旱性方面表现出较大的变异性，并且在调节气孔导度方面具有突出作用。然而，砧木干旱响应的遗传基础通常知之甚少.

关于砧木是否改变接穗的基因表达或它们之间是否存在遗传物质交换，只有很少的研究结果可用。

以前的研究旨在确定葡萄干旱响应的遗传基础，并在双亲种群中进行。在葡萄藤中报道的全基因组关联研究很少，并且发现了果实品质性状，叶片形态和驯化相关性状的有趣关联。

然而，迄今为止，还没有关于GWAS的报告来揭示葡萄对干旱反应的遗传控制。此外，正确和准确的表型在解剖与耐旱有关的基因组区域方面起着关键作用。

在这方面，近年来应用叶绿素荧光、近红外和高光谱成像评估葡萄表型已变得越来越普遍。

在本研究中，红外热成像的应用允许评估葡萄“临时”核心收集中砧木对缺水的反应，减少表型数据收集的时间，从而可以筛选多种基因型。

采用GWAS方法剖析蒸腾相关性状的基因组基础，旨在确定与作物遗传改良潜在相关的干旱恢复力所涉及的遗传区域。

现有的葡萄种质资源是宝贵的遗传资源，可用于寻找耐旱机制的表型变异。构建遗传核心集合已被证明是获得最佳数量的砧木基因型的适当策略。

该基因型捕获大型种质的所有最常见等位基因，这与以前的研究一致，此外，在几种植物物种中使用遗传核心集合进行标记性状关联研究，并取得了优异的结果。

我们的结果表明，需要相对较少的种质来代表整个遗传多样性，冗余最小，这可能是由于葡萄物种的高杂合性。

在Malus中也报道了类似的结局，其杂合性也表现出高水平的杂合性，而以较低等位基因杂合性为特征的需要更多的个体。

用微型卫星和SNP标记进行分析证实了核心集合中相当程度的遗传多样性，并且两者都证明具有很高的信息量。

相反，正如预期的那样，与SSR相比，SNP估计的杂合水平要低得多，因为双等位基因性质的标志物具有较低的辨别能力，并且在群体中检测到较小比例的稀有等位基因。

与H相比，Ho略有减少E如先前的研究所述，可能是近亲繁殖事件对被研究种群的结果，低F值也可归因于葡萄的高杂合性。

与砧木/野生和杂交组合相比，育种砧木库中的遗传多样性总体减少，因为它们是通过基于少数祖体的育种选择获得的。

关于核心收藏的遗传结构，杂交种被明确地分组在一个与育种砧木和砧木/野生分开的不同集群中。

这一结果是可以预测的，因为杂交种是通过将美洲葡萄品种与栽培葡萄藤杂交获得的，葡萄藤在其谱系中具有根瘤蚜抗性和很大比例的葡萄。

干旱下的葡萄WUE受植物蒸腾速率的强烈影响，可以被认为是其改良的潜在目标。热红外成像被证实，是估计气孔导度和研究与蒸腾作用相关的基因型变异性的，非常合适的工具。

在三个实验年中，砧木在水分胁迫下表现出明显高于对照的冠层温度，反映了它们的水分状况，从热图像推断出的Ig和CWSI参数与水胁迫指标显着相关。

例如叶片水势，非光化学猝灭或光系统II的光利用效率。测量时间对于确保令人满意的表型结果至关重要。

这种方法允许在同一天和特定时间窗口内快速评估整个砧木种群的蒸腾速率，以限制环境影响，这是使用孔隙仪无法实现的。

事实上，自从Blum等人最初开发热成像方法以来，不同种类作物的水分状况已经被广泛研究，并在包括葡萄藤在内的各种研究工作中取得了优异的结果。

该实验证明了热成像在检测整体基因组广泛关联方面的有效性。此外，使用直接气孔导度测量对一部分人群的干旱响应分析证明了这些结果的一致性。

为了充分了解植物的生理反应，必须研究其他形态特征，例如营养发育或根系结构，并评估盆栽和田间实验中砧木-接穗相互作用的生理方面。

GWAS研究目前是了解复杂性状遗传基础的宝贵方法，特别是对于那些具有多基因遗传的人，尽管这些分析在葡萄中并未广泛进行。

根据Nicolas等人，葡萄藤中GWAS的理想关联面板应将有限的相关性与最小的结构相结合。

为本研究设计的小组由杂交种、野生非葡萄种质和砧木品种组成，这些品种在其谱系中包括主要的美洲葡萄品种，如，和。

它确保了较大的遗传变异性，它还表现出生物和非生物胁迫恢复力的未探索变异，GWAS分析仅确定了五个SNPs，它们通过了与所研究表型性状相关的Bonferroni显着性阈值。

使用罗斯福不太保守的方法检测了十九个标记性状关联。统计功效的下降可能是由葡萄中LD的快速衰减引起的，这可能需要大量的SNPs才能均匀地覆盖基因组区域。

在这项研究中，GrapeReseq20KSNPs阵列被证明是检测显着基因型-表型关联的适当工具，该芯片包括针对在47种野生和栽培的葡萄属基因型中发现的变异的探针。

还包括在其他六个葡萄物种的4978种质中鉴定的18个SNP，它适合对包含几种不同葡萄基因型的核心集合进行基因分型。

此外，根据杂合度选择阵列上的SNP标记，并沿染色体均匀分布。事实上，该阵列已经允许检测营养和生殖性状的QTL，并对葡萄种质中的遗传多样性进行了很好的估计。

可以通过限制性位点相关DNA测序或测序基因分型方法获得更多的SNP标记。最大化SNP的数量确实可能增加发现与表型显着关联的可能性。

这种策略需要对发现的SNP进行更准确的过滤，并且需要事先针对正在研究的不同基因型进行优化。

在本研究中，所研究的植物是来自不同葡萄物种的杂交种或种质，并且在高度重复的DNA区域中存在限制性内切酶位点方面可能存在差异。

耐旱性是一种具有复杂多基因决定性和强环境相互作用的性状，标记-性状关联分析可能需要高度精确的表型数据，以及包括更多个体和重复的实验小组，以检测微小效应QTL。

砧木在缺水情况下调节接穗气孔导度的突出作用已在不同的研究中得到证实，尽管气孔调节所涉及的遗传决定论很少被研究。

Marguerit等人通过QTL分析，通过评估嫁接到138个个体上的单个接穗基因型的干旱响应，确定了与接穗穗控制相关的砧木遗传区域。

赤霞珠×杂交，Coupel-Ledru等剖析了后代中等水葡萄藤和异水合葡萄藤之间气孔敏感性的遗传基础再次采用QTL方法。

这一事实突出了应对耐旱植物表型挑战的必要性，这些挑战可能受到多种非生物胁迫条件的影响，例如过热。

事实上，尽管实验是在隧道温室中进行的，但外部条件略有不同，可能对内部温度产生影响，在蒸腾反应方面也注意到差异。

环境条件在第一年降低了对照植物的气孔导度，水分胁迫植物在FC的30%处表现出接近零的蒸腾速率，在复水后仅显示部分恢复。

然而，在第三年收集的关于使用孔隙计的人群亚群的表型数据，可以更准确地测量气孔导度，证实了一些关联。

以前对干旱下葡萄蒸腾作用的遗传研究报告了水处理过程中种群的全面特征，尽管标记物的低密度限制了QTL置信区间的分辨率，其中包括大的染色体区域。

本研究中发现的大量显着相关的SNP在这些QTL区域中共同定位，甚至表明位置更受限制，应用结合QTL映射和GWAS分析的综合策略似乎是剖析干旱胁迫响应等复杂性状的有效方法。

了解葡萄树对缺水反应的复杂性是可持续葡萄种植的主要挑战。用水的调节需要接穗和砧木之间的协调行动，通常在砧木上嫁接品种以应对根瘤蚜侵扰。

在这方面，在包括不同葡萄物种的“临时”关联图谱小组上应用了全基因组关联研究方法，以剖析蒸腾相关性状的遗传基础，并确定与耐旱机制相关的葡萄砧木的基因组区域。

使用GrapeReSeqIllumina20KSNP阵列和SSR标记对面板进行基因分型，并应用红外热成像技术估计进行性缺水时的气孔导度值。

了解葡萄干旱胁迫反应的遗传基础，对于葡萄园管理和在不断变化的气候下培育新品种至关重要。

在本研究中，使用GWAS方法检测了一些与控制蒸腾作用相关的遗传区域，这些遗传区域可能涉及抗旱能力，并与作物改良相关。

红外热成像的应用可以评估葡萄砧木对缺水的反应，从而减少了收集表型数据的时间，从而可以筛选多种基因型。

尽管所研究的性状及其多基因遗传的复杂性，但仍检测到显着的标记性状关联。对商业砧木的其他研究使我们能够指出几个候选基因，可能与缺水有关。