揭开波斯核桃抗旱能力的遗传秘密

核桃(JuglansregiaL.)在古波斯驯化，是全球栽培的坚果作物。随着全球水资源短缺，核桃生产因非生物胁迫，特别是干旱而面临重大挑战。光合作用是适应非生物胁迫和调节植物发育的关键生理机制。

研究主要集中在干旱对核桃的生理影响上，但其分子机制尚不完全清楚。许多新的基因组工具已广泛用于研究核桃的基因组多样性和关联图谱。

波斯核桃参考基因组和SNP基因分型芯片促进了高级基因组研究，包括QTL作图和全基因组关联研究(GWAS)。

测序基因分型(GBS)和限制性位点相关DNA测序(RADseq)等技术有可能生成大型标记数据集。然而，许多影响较小的SNP标记总是被忽视，大多数导致该性状的遗传变异仍然被隐藏。因此，基因集富集分析等补充方法可以更深入地了解核桃响应干旱胁迫的分子机制。

2022年6月，园艺研究发表了一篇题为“全基因组关联分析和通路富集提供了对波斯核桃光合对干旱胁迫反应的遗传基础的见解”的研究文章。

首先，本研究利用伊朗主要核桃产区的150个核桃科(1,500株幼苗)探索了光合性状的自然变异。他们在控制、水分胁迫和恢复条件下评估了30种与光合作用相关的性状，主要分为两大类(气体交换和叶绿素荧光测量)。

结果表明，家系间表型变异较大，大多数性状呈现接近正态分布。除了一些气体交换参数(干旱恢复下的Ci和Ci/Ca)和叶绿素荧光测量(干旱下的VI、恢复下的FI和FM)。大多数光合性状在干旱胁迫下表现出大幅降低。在干旱条件下观察到性状之间存在显着相关性。

为了进一步探索关键参数并提供种群内性状之间关系的综合视图，对胁迫期间140个科的所有光合性状进行了主成分分析(PCA)。前五个分量(PC1-5)累计解释了严重干旱条件下整个面板光合性状总变异的90%以上，其中第一个分量(PC1)与水分关系参数和FV/FM指数显着相关。

在SNP调用和群体结构分析中，使用了来自95个母树和150个科的基因组数据。阵列评分的SNP被分为六个默认组。

通过GBS进行基因分型的每组面板的PCA和群体结构估计，并且面板根据地理位置分为四个主要集群。

全基因组关联研究(GWAS)使用MArray、MGBS和PGBS数据集，在所有条件下分别确定了198(34%)、228(40%)和152(26%)项与至少一种光合作用相关性状的显着关联。然后，BLASTX结果显示了GWAS识别出的578个和1,543个显着和提示性SNP。

大多数SNP位于参与光合作用和耐旱性调节的基因内部或附近。基因集富集和网络分析提取了重要和暗示性SNP周围的基因，识别了与耐旱性和光合作用相关的多个KEGG通路和GO术语。富集途径与碳水化合物代谢、氨基酸代谢、脂质代谢、能量代谢和信号转导等代谢过程相关。

最后，蛋白质-蛋白质相互作用确定了参与光合作用和干旱反应的中心基因，为波斯核桃不同条件下光合性状的遗传控制提供了见解。

总之，这些发现强调了核桃自然光合作用变异作为育种和工程更高效光合作用的宝贵资源的潜力，特别是在气候变化和水资源短缺的背景下。

这项研究不仅揭示了核桃对干旱的生理和遗传适应，而且为未来以提高耐旱性为重点的核桃育种计划奠定了基础。