Mol Plant | 中国农业科学院王文生团队解析水稻 OsMYB2-OsGH18-OsCAD3 模块三基因上位性抗旱机制

1月20日，中国农业科学院王文生教授团队在《Molecular Plant》在线发表了题为“Strong tri-genic epistasis among natural alleles of module OsMYB2-OsGH18-OsCAD3 confers improved drought tolerance in rice”的研究论文，该研究成功克隆并解析了水稻中调控抗旱性的三个关键基因 ——OsMYB2、OsGH18 和 OsCAD3，揭示了这三个基因组成的模块通过自然等位基因间的强三基因上位性互作，增强木质素合成进而提升水稻抗旱性的分子机制，为水稻抗旱育种提供了新的基因资源和理论依据。

全球气候变化背景下，干旱已成为限制水稻产量的首要非生物胁迫因素。水稻作为全球近半数人口的主食，生产耗水量大且多数品种抗旱性弱，培育抗旱优良品种是保障粮食安全的关键。尽管水稻功能基因组学研究已克隆大量基因和 QTL，但多数聚焦单个大效应基因，缺乏基因间功能关联与遗传参数的整合，导致难以转化为育种实用信息，且主流基因组选择模型难以整合复杂基因互作，制约了育种效率。水稻抗旱性是涉及多个生理过程的复杂性状，木质素合成对增强细胞壁刚性、减少水分流失至关重要，但相关调控基因模块及互作机制尚不明晰。

为解决上述问题，研究团队筛选了 408 份材料组成群体，结合 SNP 标记进行群体结构分析，将其划分为籼稻、粳稻、混合群、巴斯马蒂稻和 Aus 稻 5 个类群。通过田间试验测定了这些材料在正常供水和干旱胁迫下的株高，以正常与干旱条件下的株高差值（PHDF）作为抗旱性评价指标，发现不同材料间 PHDF 变异显著，且干旱胁迫、类群间及类群内材料间的变异均达极显著水平，其中籼稻亚群的平均 PHDF 显著低于粳稻亚群，表明籼稻材料整体抗旱性更强。随后，利用全基因组关联分析（GWAS），分别在全群体、籼稻 + Aus 群和粳稻 + Bas 群中鉴定与 PHDF 相关的 QTL，共发现大量显著关联 SNP，分布在 12 条染色体上，其中部分 QTL 在多个群体中被检测到。进一步对关键 QTL 区域进行候选基因筛选，结合水稻功能基因数据库注释，锁定 LOC_Os11g47600 为关键候选基因，该基因编码含 GH18 结构域的糖基水解酶，命名为 OsGH18。

408 份水稻材料株高差值和株高比值的全基因组关联分析及候选基因 LOC_Os11g47600 在不同水稻群体中的单倍型分析

为验证 OsGH18 的功能，研究团队通过构建了 OsGH18 敲除（KO）突变体和过表达（OE）株系，功能验证显示，OsGH18 过表达（OE）株系在田间干旱、PEG 模拟干旱和土壤干旱条件下均表现出更强抗旱性，存活率更高、水分流失更慢；敲除（KO）株系则抗旱性显著减弱。转录组和代谢组分析表明，OsGH18 通过调控胁迫响应、细胞壁组织及木质素合成相关基因和代谢物，促进木质素积累、增厚茎木质部细胞壁，从而减少水分流失。

OsGH18对抗旱性的功能验证

进一步研究发现，OsGH18 可与木质素合成关键酶—— 肉桂醇脱氢酶 OsCAD3 直接相互作用。亚细胞定位显示OsCAD3 定位于细胞质，表达受干旱诱导，其 KO 突变体抗旱性减弱、木质素含量降低。通过多种实验进一步证实 OsGH18 与 OsCAD3 存在强蛋白互作，且 OsGH18 可介导 OsCAD3 的糖基水解。单倍型分析发现，OsCAD3 的 CDS 区域存在多个 SNP，形成不同主要单倍型，其中部分单倍型与高抗旱相关，部分与干旱敏感相关；AlphaFold3 预测显示，不同 OsCAD3 单倍型与 OsGH18 的互作强度存在差异，且这种差异与抗旱性表型一致，说明 OsCAD3 不同单倍型与 OsGH18 的互作差异是影响抗旱性的关键。

OsCAD3 蛋白与 OsGH18 相互作用

考虑到 OsGH18 启动子区域的单倍型变异与抗旱性相关，研究团队对 OsGH18 启动子的顺式调控元件进行分析，发现其包含多个胁迫响应元件。不同 OsGH18 单倍型的调控元件拷贝数存在差异，且其表达水平与抗旱性表型相关。结合 GWAS 结果，位于特定 QTL 区域的 MYB 转录因子基因 OsMYB2 进入研究视野，该基因启动子区域存在多个 SNP，形成两种主要单倍型，分别与不同抗旱性表型相关，且其表达量与抗旱性呈正相关。亚细胞定位显示 OsMYB2 定位于细胞核，符合转录因子特征；进一步实验证实 OsMYB2 可直接结合 OsGH18 和 OsCAD3 启动子中的 MYB 结合位点，正向调控二者的表达。功能验证显示，OsMYB2-KO 突变体在 PEG 胁迫下的存活率显著低于 WT，田间干旱条件下抗旱性评分更高，茎木质素含量在正常和干旱条件下均显著降低，茎木质部细胞壁变薄，表明 OsMYB2 通过调控 OsGH18 和 OsCAD3 的表达，参与木质素合成和水稻抗旱性调控。

OsMYB2 对抗旱性的功能验证

为解析三个基因间的遗传互作关系，研究团队对 OsMYB2、OsGH18 和 OsCAD3 的主要单倍型进行双基因和三基因上位性分析。在群体 Ⅰ 中检测到多种三基因型，且不同类群的基因型分布存在明显差异。数量遗传分析显示，部分基因主效应达显著水平，分别与抗旱或干旱敏感表型相关；双基因上位性效应中，部分达显著水平且主要发生在 OsGH18 和 OsCAD3 之间；三基因上位性效应的绝对值显著大于主效应和双基因效应，且多数与高抗旱相关。利用这些效应值拟合 PHDF 表型，发现包含主效应 + 双基因 + 三基因效应的模型拟合度显著高于单独使用各类效应的模型。

为验证该基因模块的稳健性，研究团队在另外两个不同群体中进行模型验证，结果显示三基因上位性效应的绝对值显著高于主效应和双基因效应，且包含所有效应的模型对不同抗旱相关性状的拟合度均最高。进一步对关键三基因型进行田间验证，发现 OsMYB2Hap1-OsGH18Hap5-OsCAD3Hap1 基因型的材料在多个抗旱相关指标上均显著优于其他敏感基因型，且该基因型材料的木质素含量显著更高。此外，利用该模块的遗传效应预测不同群体的抗旱表型，发现模型预测能力显著高于单独使用基因主效应，并筛选出一批具有优异抗旱性的材料，为抗旱育种提供了重要的供体材料。

三个水稻群体中 OsMYB2-OsGH18-OsCAD3 模块的估计标准化三基因上位性效应比较及三基因基因型抗旱性状验证

该研究解析了 OsMYB2-OsGH18-OsCAD3 模块的调控机制，明确三者通过转录调控和蛋白互作促进木质素合成，填补了木质素合成与水稻抗旱性关联的研究空白；揭示了三基因自然等位基因间的强上位性效应，建立了基因功能关联与遗传参数的联系，为复杂性状遗传解析提供新范式；开发了基于该模块的抗旱表型预测方法，筛选出优异种质，为水稻抗旱分子育种提供了可直接应用的基因资源和选择标记；同时还提出基于基因功能模块和上位性效应的育种策略，突破传统基因组选择模型局限，为其他复杂性状改良提供重要参考，推动功能基因组学研究成果向育种实践转化。

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