高粱<bold>BZR</bold>基因的鉴定及与籽粒性状关联分析

赵娟莹; 李金彪; 李皓翔; 王绘艳; 张晓娟; 范昕琦; 梁笃; 郭琦; 柳青山; 张一中; ZHAO Juanying; LI Jinbiao; LI Haoxiang; WANG Huiyan; ZHANG Xiaojuan; FAN Xinqi; LIANG Du; GUO Qi; LIU Qingshan; ZHANG Yizhong

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1. 山西农业大学高粱研究所，榆次 030600； 2. 山西农业大学农学院，太谷 030801； 3. 山西农业大学社会服务部，太原 030031

最近更新：2025-03-07

DOI：10.13430/j.cnki.jpgr.20240621001

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摘要

油菜素内酯（BRs，brassinosteroids）是植物体内存在的一种重要激素，在调控植物生长发育及抵抗多种环境胁迫过程中发挥作用。BZRs转录因子是BRs信号途径中的关键调节因子，通过调控靶基因的表达传递BRs信号。为了深入研究高粱BZRs基因的生物学特性及功能，本研究从高粱基因组中鉴定获得10个BZR基因。组织特异性表达分析显示，SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10在多个组织中高表达，且均在籽粒发育过程中的表达量较高。同时，基于340份高粱种质资源的重测序结果及籽粒性状表型数据，鉴定SbBZRs的优异等位变异，结果表明，SbBZR3的优异等位变异SbBZR3-SNP404（T）与粒长显著相关，SbBZR10的优异等位变异SbBZR10-SNP660（A）与粒长、粒宽和千粒重显著相关，且在进化过程中SbBZR3-SNP404（T）和SbBZR10-SNP660（A）均受到了人工选择。本研究不仅为揭示高粱BZRs基因的作用机制奠定了基础，也将为利用优异等位基因改良籽粒大小、促进高产高粱新种质的创制提供参考。

关键词

高粱; BZR基因; 籽粒性状; 等位变异

高粱［Sorghum bicolor （L.） Moench］作为世界上第五大禾谷类作物，栽培历史悠久，具有抗旱耐瘠薄等优势。随着全球耕地面积的减少及高粱在国民饮食中所占比例的降低，目前高粱种植地主要集中在干旱、半干旱及山区等一些边际农田，严重限制了高粱的产量。高粱除了作为粮食之外，还是工业、酿造业、畜牧业的重要原材料^［

1］，因此，提高高粱产量仍是高粱育种的重要目标，也是提升高粱经济效益的有效途径。籽粒大小是影响作物产量的重要因素之一，现有研究已在水稻和小麦等作物中发现了调控籽粒大小的基因^{［参考文献 2-4}2-4］。挖掘高粱基因组中调控籽粒发育的基因，并鉴定其优异等位变异，能够为高粱分子育种、提高高粱产量奠定基础。

油菜素内酯（BRs，brassinosteroids）是在花粉中发现的一种甾醇类植物激素，广泛存在于花粉、种子、茎和叶片中，是调节植物生长发育和抵抗环境胁迫的重要激素，在光形态发生、细胞伸长、开花、籽粒发育、种子萌发以及抗旱、耐盐、耐高温等过程中发挥重要作用^［

5-8］。BRs信号由细胞质膜表面受体BRI1（Brassinosteroid insensitive 1）和BAK1（BRI1 associated protein kinase 1）感知，BRI1与BSU1（BR-suppressor 1）磷酸酶相互作用，并激活BSU1磷酸酶，触发BIN2（BR-insensitive 2）去磷酸化，失活的BIN2促使非磷酸化转录因子BZR1（Brassinazole resistant 1）和BES1（BRI1-EMS-Suppressor 1）在细胞核中积累，进而调控BRs靶基因表达^{［参考文献 9-11}9-11］。BRs的生物合成及信号传递受阻会对植物籽粒发育造成影响，如小麦BRs缺失突变体Tad11的籽粒比野生型短^{［参考文献 12

百度学术}12］，水稻OsGSK2的过表达导致籽粒变小等^{［参考文献 13

百度学术}13］。

BZR转录因子是BRs信号通路中的重要调节因子，由N端的核定位信号序列（NLS，nuclear localization sequence）、高度保守的DNA结合域BES1_N、丝氨酸磷酸化位点、富含脯氨酸（P，proline）-谷氨酸（E，glutamic acid）-丝氨酸（S，serine）-苏氨酸（T，threonine）的PEST序列及C端结构域组成^［

14］，其中丝氨酸磷酸化位点可被BIN2识别并磷酸化^{［参考文献 15

百度学术}15］，BES1_N结构域可以特异性结合下游基因启动子区的E-box（CANNTG）或BRRE（CGTGT/CG）元件，进而调控BRs响应基因的表达^{［参考文献 16-17}16-17］。BZRs作为BRs信号途径的重要转录因子，参与植物生长发育及对非生物胁迫的响应^{［参考文献 18

百度学术}18］。拟南芥BZR转录因子AtBEH3可以调节E3泛素连接酶基因AtRZF1的表达，参与调控拟南芥对渗透胁迫、ABA和BRs响应^{［参考文献 19

百度学术}19］。AtBES1与RD26互作，负向调节植物抗旱性^{［参考文献 20

百度学术}20］。小麦TaBZR2直接结合TaGST1启动子区的E-box元件，激活TaGST1的表达，提高植物耐旱性^{［参考文献 21

百度学术}21］。此外，BZRs也在调控籽粒发育过程中发挥重要作用。研究表明，大豆BES1/BZR1通过与2C-1型蛋白磷酸酶PP2C-1相互作用，促进籽粒发育^{［参考文献 22

百度学术}22］。水稻BES1/BZR1基因的过表达能够增加籽粒中糖分的积累，提高产量^{［参考文献 23

百度学术}23］。玉米ZmBES1/BZR1-5与酪蛋白激酶II亚基ZmCKIIβ4和铁氧还蛋白ZmFdx2互作，通过结合AP2/EREBP基因启动子元件并抑制其转录，正向调节籽粒大小^{［参考文献 16

百度学术}16］。过表达小麦TabHLH489导致籽粒变短，千粒重降低，而TaBZR1可以抑制TabHLH489的表达，促进籽粒发育^{［参考文献 24

百度学术}24］。

由于BZR转录因子在BRs信号通路及植物生长发育过程中发挥多种重要功能，BZR基因家族鉴定、功能研究及调控机制解析备受关注。目前，BZR转录因子家族已在拟南芥^［

14］、玉米^{［参考文献 25

百度学术}25］、油菜^{［参考文献 26

百度学术}26］、水稻^{［参考文献 27

百度学术}27］、小麦^{［参考文献 28

百度学术}28］和马铃薯^{［参考文献 29

百度学术}29］等植物中被鉴定，且已有研究鉴定了高粱的BZR基因家族成员^{［参考文献 30

百度学术}30］，但高粱BZR家族基因调控籽粒大小的研究还未见报道。本研究对高粱BZR家族成员进行了重新鉴定，检测了SbBZRs在BRs处理下及高粱不同组织和发育时期的表达，并对SbBZR3和SbBZR10的自然变异与粒长、粒宽和千粒重进行了关联分析，为高粱籽粒大小相关性状的遗传改良及高产新种质创制提供了参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

挑选籽粒饱满、大小一致的高粱品种L17种子，种植于山西农业大学高粱研究所实验基地，采集正常生长至幼苗期的高粱根、茎、叶、孕穗期的小穗，半花期的花，以及开花后5 d、10 d和15 d的籽粒，液氮冷冻后保存于-80 ℃冰箱，用于基因组织特异性表达分析。此外，用0.5 μmol/L BRs对人工气候室正常生长的两周龄高粱幼苗进行叶片喷施处理，试验分3次重复，每重复8盆，每盆10株苗，分别于处理后0 h、0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h取叶片，液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱，用于检测SbBZRs在BRs处理下的表达。

1.2 高粱BZR基因鉴定

从Phytozome（https：//phytozome-next.jgi.doe.gov/）数据库下载高粱蛋白（Sorghum bicolor v3.1.1）序列及注释文件，根据已报道的拟南芥^［

14］、玉米^{［参考文献 25

百度学术}25］和水稻^{［参考文献 27

百度学术}27］的BZR蛋白序列信息，对高粱蛋白序列进行本地BLAST（E-value<1e^-5），去除重复序列后，使用CDD（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd）和SMART（http：//smart.embl-heidelberg.de/）在线工具对候选序列进行筛选，删除不包含BES1_N结构域的蛋白序列，具有BES1_N完整结构域的蛋白即为高粱BZR家族成员，用于进一步分析。使用ExPASy（https：//web.expasy.org/protparam/）网站预测SbBZRs蛋白的等电点（PI）和蛋白分子量（Mw），并根据SbBZRs基因在高粱染色体上的位置对其进行命名。在高粱功能基因组数据库（http：//structuralbiology.cau.edu.cn/sorghum/pattern.php）中检索BZR基因在高粱根、茎、胚、营养分生组织、花分生组织和花等6个组织中的RNA-seq数据（GSE50464）^{［参考文献 31

百度学术}31］。

1.3 系统进化分析

使用Clustal X软件对高粱、拟南芥、水稻、小麦和玉米的BZRs蛋白进行多重序列比对分析，并利用最大似然法在MEGA7中分析系统进化关系，bootstrap值设定为1000。

1.4 染色体定位及基因共线性分析

在Phytozome数据库中查找所有BZR基因在高粱不同染色体上的位置信息，利用MCScanX软件分析SbBZRs在高粱基因组内的片段重复和串联重复事件，同时分析高粱、拟南芥、水稻、玉米和番茄基因组间共线性关系，统计不同物种间BZR基因的共线性基因对数量，利用TBtools软件对共线性结果进行可视化^［

32］，并根据染色体位置信息在物种内共线性结果图中定位SbBZRs基因。

1.5 总RNA提取及荧光定量PCR

利用植物总RNA快速提取试剂盒（北京庄盟国际生物基因科技有限公司）提取高粱根、茎、叶、小穗、花、籽粒及BRs处理后0 h、0.5 h、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h的叶片总RNA，具体方法参见试剂盒说明书。使用EasyScript First-Strand cDNA Synthesis SuperMix反转录试剂盒（北京全式金生物技术股份有限公司）反转录高粱总RNA获得cDNA。根据SbBZRs基因序列设计荧光定量PCR（qRT-PCR）引物（表1），以SbEIF4a（Sobic.004G039400）为内参基因，使用TransStart Top Green qPCR SuperMix试剂盒（北京全式金生物技术股份有限公司）在ABI7500荧光定量PCR仪中完成检测。每个反应设置3次技术重复，使用2^-ΔΔCt法计算相对表达量。

表1 高粱SbBZRs基因荧光定量检测所用引物

Table 1 The primers were used in qRT-PCR of SbBZRs

引物名称 Primer name	正向序列（5′-3′） Forward sequence（5′-3′）	反向序列（5′-3′） Reverse sequence（5′-3′）
SbBZR1	ACAACATGTCCCACTCCGAC	ATATCTGCAACCCCGTCAGC
SbBZR2	TACTCCCAGACGTTGGTAGATCA	AGCATTTAGCACCTGCCATACT
SbBZR3	GGCGTCATCCAGCTTCCC	GAGACCGCGAAGAAGGGG
SbBZR4	AGCCCTACTTCCTCCTCATTCC	TGGTTGCTTCGTCCCAGTCT
SbBZR6	ACTCCTCGGAAGTATGAATGGTC	CAGTGCTGATTGCCGTAAATG
SbBZR7	TTCTCCTTCCAGACCTCCACC	TCCTCGTCGGCGTTCTTCT
SbBZR9	TGCTTCTGCCTGGATGCTC	TCGTCGGTGTTCTTGTCGTT
SbBZR10	ATCTGCTGGTCCTTCATCTCC	CACTCCTCGTGTATCCGTTCC

1.6 基因等位变异鉴定

实验室前期已完成340份高粱种质资源的重测序工作，这些高粱品种为山西农业大学高粱研究所饲料高粱研究室近年来收集、自主选育的育种资源，包含318份育成种（其中恢复系231份、保持系87份），22份地方品种，主要来源于中国山西、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、四川、贵州等高粱主产区，以及美国、印度、马达加斯加、澳大利亚等国家。本研究根据重测序数据，使用PilotEdit软件提取SbBZRs基因所在区段的核苷酸变异信息，分析SbBZRs基因的变异位点，并根据变异位点差异将SbBZRs分为不同单倍型。结合340份高粱种质资源在3个环境下（2022东白、2023东白、2023运城）的粒长、粒宽和千粒重统计结果（数据未发表），对SbBZRs基因不同等位变异分别在这些材料中所占比例进行统计分析。数据分析利用Excel 2016和GraphPad Prism 5软件完成，并使用SPSS 20.0软件对数据进行差异显著性分析。

1.7 关联分析

采用340份高粱种质资源的群体结构信息以及粒长、粒宽和千粒重统计结果，结合SbBZRs基因的等位变异信息，利用TASSEL 5软件的一般线性模型对SbBZRs基因的等位变异与籽粒性状进行关联分析，根据P值大小确定相关性（P<0.05为显著相关，P<0.01为极显著相关）。

2 结果与分析

2.1 高粱BZR家族基因鉴定

将拟南芥、水稻和玉米的BZR蛋白序列与高粱蛋白序列进行序列比对，并对候选蛋白序列进行功能域预测，删除不包含BES1_N结构域的序列，最终在高粱基因组中鉴定获得10个编码BES1_N结构域蛋白的基因，根据这些基因在高粱10条染色体上的位置信息将其命名为SbBZR1~SbBZR10（表2）。这些基因编码蛋白大小存在很大差异，其中序列最短的基因（SbBZR5）编码191个氨基酸，序列最长的基因（SbBZR6）编码717个氨基酸。对这些蛋白的理化性质分析发现，SbBZRs的分子量变化范围为20.99 kDa（SbBZR5）~80.40 kDa（SbBZR6），等电点在4.75（SbBZR2）~10.62（SbBZR7）之间。

表2 高粱BZR基因基本信息

Table 2 Basic information of BZR genes in sorghum

序号 Number	基因名称 Gene name	基因序列号 Sequence ID	染色体 Chr.	氨基酸数量（aa） Amino acid number	分子量（kDa） Mw	等电点 PI	染色体位置（bp） Chr. location
1	SbBZR1	Sobic.001G511400	1	413	41.81	6.00	77886569~77891227 -
2	SbBZR2	Sobic.002G136200	2	597	66.99	4.75	20562012~20574672 +
3	SbBZR3	Sobic.002G353200	2	337	35.26	8.83	71635213~71637226 -
4	SbBZR4	Sobic.003G026300	3	349	36.55	8.61	2228808~2231971 +
5	SbBZR5	Sobic.003G046600	3	191	20.99	9.25	4267646~4268762 +
6	SbBZR6	Sobic.004G027800	4	717	80.40	7.94	2235984~2242049 +
7	SbBZR7	Sobic.004G102500	4	400	40.78	10.62	9584880~9586747 -
8	SbBZR8	Sobic.004G102600	4	276	28.33	10.34	9610539~9611889 -
9	SbBZR9	Sobic.004G102700	4	376	38.98	10.54	9632194~9633870 -
10	SbBZR10	Sobic.010G163900	10	357	37.65	8.08	48237054~48240678 +

+表示基因序列在高粱基因组中正向插入，-表示基因序列在高粱基因组中反向插入

+ indicates the gene sequence is inserted in forward in sorghum genome， - indicates that the gene sequence is inserted in reverse in sorghum genome

2.2 BZR蛋白系统进化分析

为了研究BZR基因的进化关系，对10个高粱BZR蛋白、8个拟南芥BZR蛋白、6个水稻BZR蛋白、11个玉米BZR蛋白及20个小麦BZR蛋白序列进行系统进化分析（图1）。根据亲缘关系远近，将这55个BZR蛋白划分为4组，组Ⅰ~组Ⅳ分别包含12个、12个、13个和18个成员，其中高粱BZRs在组Ⅲ中分布最多。进化结果显示，与高粱亲缘关系最近的是单子叶植物玉米，其次是水稻，例如SbBZR6与ZmBZR1-5和OsBZR3亲缘关系较近，而亲缘关系最远的是双子叶植物拟南芥。

图1 高粱（Sb）、拟南芥（At）、水稻（Os）、玉米（Zm）和小麦（Ta）的BZR蛋白系统进化分析

Fig. 1 Phylogenetic analysis of BZR proteins in sorghum （Sb）， Arabidopsis （At）， rice （Os）， maize （Zm） and wheat （Ta）

2.3 高粱BZR基因的染色体分布及共线性分析

从Phytozome数据库中查找高粱BZR基因在不同染色体上的位置信息，对高粱BZR基因进行染色体定位（图2）。SbBZRs基因分布在高粱的5条染色体上，其中4号染色体上分布最多，包含4个基因，2号和3号染色体上各分布2个基因，1号和10号染色体上分布1个基因，其余染色体未检测到BZR家族成员，表明BZR基因在高粱染色体上是不均匀分布的。

图2 高粱BZR基因染色体分布及基因复制分析

Fig. 2 Chromosomes distribution and gene duplication of BZR genes in sorghum

红线：片段重复基因对；蓝线：串联重复基因对

Red line： Fragment duplicate gene pairs； Blue line： Tandem duplicate gene pairs

基因复制事件是基因家族进化和扩张的主要原因，包括片段复制和串联复制^［

33］。分析发现高粱BZRs存在多个基因复制事件（图2），结果显示共有5个基因（SbBZR4、SbBZR7、SbBZR8、SbBZR9和SbBZR10）参与基因复制，占高粱SbBZRs家族成员的50%，分别为3个片段重复基因对SbBZR4和SbBZR7、SbBZR4和SbBZR10、SbBZR7和SbBZR10，以及1个串联重复基因对SbBZR7、SbBZR8和SbBZR9，表明片段重复和串联重复是导致高粱SbBZRs基因扩增的主要原因。

为了进一步阐明BZR基因在植物中的进化关系，对高粱及两个双子叶植物（拟南芥和番茄）和两个单子叶植物（水稻和玉米）分别进行了共线性分析，如图3所示，高粱-玉米、高粱-水稻、高粱-拟南芥和高粱-番茄间分别存在12个、13个、2个和5个BZR基因的同源基因对，对应7个高粱基因和9个玉米基因、7个高粱基因和7个水稻基因、2个高粱基因和1个拟南芥基因、3个高粱基因和3个番茄基因，统计分析显示高粱-水稻/玉米的同源基因对比高粱-拟南芥/番茄的同源基因对多，进一步说明BZR基因在单子叶植物之间的亲缘关系更近。此外，SbBZR4和SbBZR10在其他4个物种中均存在共线基因，推测这两个基因可能在进化过程中是保守的。

图3 高粱、玉米、水稻、拟南芥和番茄BZR基因共线性分析

Fig. 3 Synteny analysis of BZR gene among sorghum， maize， rice， Arabidopsis， and tomato

2.4 SbBZRs在BRs处理下的表达分析

BZRs基因作为BRs信号途径的关键转录因子基因，在植物响应BRs过程中发挥重要作用。为了探索高粱BZR基因是否也在BRs信号途径中发挥作用，本研究检测了SbBZRs在外源BRs处理后的表达模式（图4）。qRT-PCR结果显示，多数SbBZRs基因受BRs诱导表达，其中SbBZR4和SbBZR7经BRs诱导后极显著上调表达，与0 h相比，SbBZR4在BRs处理后3 h表达量达到峰值（3.9倍），SbBZR7在处理的6 h表达量达到最高（3.3倍），推测SbBZR4和SbBZR7可能在BRs信号途径中发挥作用。

图4 高粱BZR家族基因对BRs的响应

Fig. 4 Expression level of SbBZRs genes under BRs treatments

*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平下具有显著性差异，下同

* and ** indicated significant difference at P<0.05 and P<0.01 levels， respectively， the same as below

2.5 SbBZRs在高粱不同组织及籽粒发育不同时期的表达谱

基因在植物不同组织及不同发育时期的差异表达可以为鉴定基因功能提供参考。为了检测BZR家族基因在高粱不同组织中的表达，本研究首先从高粱功能基因组数据库中检索了6个高粱组织的RNA-seq数据（GSE50464）^［

31］，结果显示，在根、茎、胚、营养分生组织、花分生组织和花中共检测到7个SbBZRs基因的表达（图5），其中SbBZR1、SbBZR6、SbBZR7和SbBZR9在所有组织中均不表达或表达量极低，SbBZR3在营养分生组织和花分生组织中特异表达，SbBZR4和SbBZR10不仅在营养分生组织和花分生组织中高表达，在胚中也有表达，而SbBZR4在花中也特异表达。

图5 高粱BZR家族基因的组织表达热图

Fig. 5 Heat map of expression profiles of SbBZRs genes in different tissues

为了进一步确定SbBZRs的组织及发育时期表达谱，本研究利用qRT-PCR技术检测了SbBZRs在高粱根、茎、叶、花、小穗，以及开花后5 d、10 d、15 d籽粒中的表达（图6）。除未检测到SbBZR5和SbBZR8的表达外，其余SbBZRs在8个组织或时期中差异表达。qRT-PCR结果显示，SbBZR1、SbBZR2和SbBZR7在所检测组织中的表达量均较低，SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10在多个组织中高表达，且均在籽粒发育过程中的表达量较高，这些结果验证了RNA-seq结果的可靠性。此外，SbBZR6和SbBZR9在叶中也有表达。根据高粱BZR家族基因的组织差异表达，推测这些基因可能在调节不同的生理发育过程中发挥作用。

图6 BZR家族基因在高粱不同组织及发育时期的表达

Fig. 6 Expression level of BZR genes in different tissues and development stages of sorghum

DAP： Days after pollination

2.6 SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10的等位变异分析

根据组织表达结果，本研究挑选SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10 三个基因鉴定其优异等位变异。基于340份高粱种质资源的重测序数据，对SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10进行单倍型分析（图7），结果显示，这3个基因均存在等位变异，其中SbBZR3和SbBZR4各有1个变异位点，分为两种单倍型。与参考基因组（BTx623）相比，SbBZR3的第404个碱基（SNP404）由T突变为G，SbBZR3-Hap1的出现频率最高，为主要单倍型；SbBZR4的第1751个碱基（SNP1751）由A突变为C，SbBZR4-Hap2为主要单倍型；SbBZR10存在4个变异位点，分别为第311个碱基（SNP311）由T突变为G，第348个碱基（SNP348）由T突变为C，第660个碱基（SNP660）由A突变为C以及第2662个碱基（SNP2662）由A突变为G，根据这些变异位点，将SbBZR10分为5种单倍型，SbBZR10-Hap4出现频率最高，为主要单倍型。

图7 SbBZR3（A）、SbBZR4（B）和SbBZR10（C）的等位变异分析

Fig. 7 Allelic variation analysis of SbBZR3 （A）， SbBZR4 （B） and SbBZR10 （C）

2.7 SbBZRs的等位变异与籽粒性状关联分析

实验室前期对340份高粱种质资源在3个环境下（2022东白、2023东白、2023运城）粒长、粒宽和千粒重数据进行统计分析发现，2022东白粒长变异范围在3.22~5.36 mm之间，粒宽在2.60~4.27 mm之间，千粒重在12.90~40.39 g之间，其他两个环境下粒长、粒宽和千粒重变异范围与2022东白相近，且均呈正态分布（未发表）。为了鉴定SbBZRs基因是否参与调控籽粒发育，本研究结合340份高粱种质资源的籽粒性状统计数据，分别对SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10的等位变异位点及籽粒性状进行关联分析（表3）。结果显示，SbBZR3-SNP404与粒长在3个环境中显著相关，与粒宽在1个环境中显著相关；SbBZR10-SNP660与粒长、粒宽和千粒重在3个环境中均显著相关；SbBZR4-SNP1751及SbBZR10的其余3个突变位点SNP311、SNP348、SNP2662与粒长、粒宽和千粒重均不相关，表明SbBZR3的第404个碱基和SbBZR10的第660个碱基的自然变异与籽粒大小相关。

表3 SbBZRs基因的等位变异与籽粒表型关联分析（P值）

Table 3 Association analysis （P-value） of SbBZRs alleles and grain phenotype

环境 Environment	SbBZR3-SNP404			SbBZR4-SNP1751			SbBZR10-SNP311
环境 Environment	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW
2022东白2022 Dongbai	0.00098**	0.05777	0.62018	0.54706	0.56323	0.95023	0.41734	0.76019	0.75157
2023运城2023 Yuncheng	0.00132**	0.03949*	0.80204	0.24692	0.76431	0.91748	0.48803	0.53010	0.83634
2023东白2023 Dongbai	0.01184*	0.19217	0.59287	0.70159	0.80346	0.55609	0.29386	0.76323	0.66457
环境 Environment	SbBZR10-SNP348			SbBZR10-SNP660			SbBZR10-SNP2662
环境 Environment	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW	粒长GL	粒宽GW	千粒重TKW
2022东白2022 Dongbai	0.41734	0.76019	0.75157	0.00144**	0.00383**	0.00330**	0.93514	0.89261	0.76837
2023运城2023 Yuncheng	0.48803	0.53010	0.83634	0.00404**	0.00906**	0.00818**	0.16820	0.22856	0.75111
2023东白2023 Dongbai	0.29386	0.76323	0.66457	0.00132**	0.00027**	0.00173**	0.41202	0.37284	0.82488

GL： Grain length； GW： Grain width； TKW： 1000-grain weight

进一步对SbBZR3和SbBZR10在3个环境中的不同单倍型进行籽粒表型分析，发现SbBZR3-Hap1的粒长显著高于SbBZR3-Hap2（图8），而SbBZR3-Hap1在第404个碱基处的自然变异类型为T（图7），表明SbBZR3-SNP404（T）为优异等位变异，SbBZR3-Hap1为优异单倍型。同时发现，作为优异等位变异，SbBZR3-Hap1在自然群体中所占比例为88.2%，而SbBZR3-Hap2所占比例仅有11.8%（图9），说明SbBZR3-SNP404（T）在进化过程中受到了人工选择。同样，比较分析SbBZR10在3个环境中的不同单倍型与籽粒表型，发现SbBZR10-Hap1的粒长和粒宽在2个环境中（2022东白和2023东白）显著高于SbBZR10-Hap5，SbBZR10-Hap1的千粒重在3个环境中均显著高于SbBZR10-Hap5（图8）；SbBZR10-Hap4的粒长、粒宽和千粒重在3个环境中均显著高于SbBZR10-Hap5（图8），而第660个碱基处，SbBZR10-Hap1和SbBZR10-Hap4的自然变异类型均为A（图7），表明SbBZR10-SNP660（A）为优异等位变异，且SbBZR10-Hap1（23.1%）和SbBZR10-Hap4（66.7%）在自然群体中出现的频率明显高于SbBZR10-Hap5（8.3%）（图9），说明SbBZR10-SNP660（A）在进化过程中同样受到了人工选择。

图8 SbBZR3（A）和SbBZR10（B）不同等位变异材料之间表型性状比较分析

Fig. 8 Comparative analysis of phenotypic traits among different allelic variants of SbBZR3 （A） and SbBZR10 （B）

ns表示在P<0.05水平无显著性差异

ns indicated no significant difference at P<0.05 level

图9 SbBZR3和SbBZR10不同单倍型在自然群体中的频率分布

Fig. 9 Frequency of different haplotypes of SbBZR3 and SbBZR10 in natural populations

3 讨论

BRs是一种重要的植物激素，参与植物生长发育及适应逆境胁迫等多种过程。BRs信号通路包含多种功能基因，如蛋白激酶、泛素连接酶、转录因子基因等，这些基因相互作用，通过一系列级联反应，使植物对BRs信号做出响应^［

8］。BZRs是BRs信号通路中的关键转录调节因子，当蛋白激酶等将BRs信号传递给BZRs后，激活的BZRs通过结合靶基因启动子将信号传递给下游目标基因^{［参考文献 34

百度学术}34］。BZRs转录因子不仅在BRs信号途径中发挥功能，还参与BRs与ABA、GA等激素途径的交互作用^{［参考文献 18

百度学术}18］。之前杜巧丽等^{［参考文献 30

百度学术}30］已经对高粱BZRs家族基因进行了系统分析，鉴定到高粱基因组中存在9个BZR家族成员。本研究以拟南芥、水稻和玉米的BZRs蛋白序列为靶标，在高粱基因组中鉴定获得了10个BZR转录因子基因，与杜巧丽等^{［参考文献 30

百度学术}30］的研究相比，本研究新鉴定到一个BZR基因Sobic.004G102600（SbBZR8），其与SbBZR7（Sobic.004G102500）和SbBZR9（Sobic.004G102700）组成串联重复基因对。基因复制在生物进化过程中起着关键作用^{［参考文献 35

百度学术}35］，除串联重复外，SbBZRs家族成员还存在多个片段重复基因对（SbBZR4和SbBZR7、SbBZR4和SbBZR10、SbBZR7和SbBZR10），表明基因复制事件是高粱BZR家族成员扩增的主要原因。

基因在植物不同组织和不同发育阶段的表达丰度不同，以此适应多种不同的生物学过程。本研究检测了BZR家族基因在高粱根、茎、叶、花、小穗，以及开花后5 d、10 d和15 d的籽粒中的表达，结果显示，SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10在高粱多个组织中高表达，表明这些基因可能在广泛的生理和发育过程中发挥重要作用。BZRs作为BRs信号途径的重要转录因子，不仅在植物响应非生物胁迫过程中发挥功能，还参与调控植物的生长发育^［

18］。2013年，Jiang等^{［参考文献 36

百度学术}36］证实拟南芥BZR1可以结合一些籽粒大小负调节基因的启动子，通过抑制这些基因的表达，直接参与调控BRs介导的籽粒发育。随后BZR基因调控籽粒大小的研究相继报道。水稻OsBZR1的过表达使种子发育过程中糖积累增加，提高水稻产量，OsBZR1的敲除突变体籽粒变小，产量降低^{［参考文献 23

百度学术}23］。进一步研究表明，OsBZR1可以通过结合DGS1基因启动子激活DGS1的表达，正向调控籽粒大小^{［参考文献 34

百度学术}34］。这些研究均表明BZR基因参与调控籽粒发育，本研究发现SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10在高粱籽粒发育过程中高表达，推测SbBZRs也在调控籽粒发育过程中发挥功能。

为了满足人类的生存需求，在几千年的驯化过程中，人们对作物产量相关农艺性状进行了强烈选择，这使得一些优异基因得到保留，同时也有大量基因在驯化过程中丢失^［

37］。通过分析340份高粱种质资源中SbBZRs的核苷酸多样性发现，在籽粒发育过程中高表达的SbBZR3、SbBZR4和SbBZR10均存在多个等位变异位点，且SbBZR3-SNP404与粒长显著相关，SbBZR10-SNP660与粒长、粒宽和千粒重显著相关，分析SbBZR3和SbBZR10不同基因型的分布发现，SbBZR3和SbBZR10的优异等位变异SbBZR3-SNP404（T）和SbBZR10-SNP660（A）在进化过程中均受到了人工选择，推测SbBZR3和SbBZR10可能在调控籽粒发育过程中发挥功能，而SbBZR3和SbBZR10的具体功能还需通过转基因等技术进一步验证。本研究将为之后开发功能标记，并利用标记对高粱育种材料进行检测，聚合高产有利等位基因，快速创制高产高粱新种质提供依据。此外，也可利用分子育种手段，将这些优异等位基因导入具有抗旱耐盐碱等优良表型但籽粒较小的高粱品种中，为进一步提高干旱、半干旱地区及盐碱地的高粱产量提供参考。

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