2025年3月12日，上海市农业生物基因中心技术创新中心团队在植物科学领域期刊《Plant Stress》（IF:6.8）在线发表了题为《WDR6K, a designed SNP array for the research and improvement of rice drought-resistance》的研究论文。该研究成功开发了全球首款专为水稻抗旱分子育种设计的液相SNP芯片WDR6K，于2024年获得国家发明专利授权（ZL202410099891.4），通过整合功能关联位点与陆稻遗传资源，显著提升了抗旱性状筛选效率，为水稻抗旱性改良和节水抗旱稻（WDR）的精准育种提供了高效工具。

主流水稻SNP芯片（如6K、50K、700K）多针对产量、品质等性状，缺乏陆稻特异等位位点，限制了抗旱相关遗传资源的利用。WDR6K芯片的设计策略聚焦于整合陆稻资源中的抗旱及绿色性状遗传多样性，并结合了背景与前景选择需求，独具如下特色和优势。

一、WDR6K芯片设计特色

1、基因组均匀覆盖与亚种多样性平衡

（1）分窗设计

水稻基因组被划分为连续的200 kb窗口，每个窗口优先筛选6个SNP/InDel位点，确保标记在全基因组范围内均匀分布。这一设计策略保障了背景选择所需的全基因组覆盖度，为遗传重组和背景筛选提供了高分辨率支撑。

（2）亚种内多样性覆盖

籼稻（Xian/indica）：每个200 kb窗口包含2个SNP位点（等位基因频率AF在0.10-0.90之间），覆盖籼稻内部遗传多样性。

粳稻（Geng/japonica）：每个窗口包含2个SNP位点（AF在0.10-0.90之间），保障粳稻亚种内的遗传多样性。

籼粳分化位点：选取AF差异 >0.30的位点（每个窗口2个），用于区分籼粳亚种，支持跨亚种育种的遗传标记需求。

Fig. 1. Information of selected markers in WDR6K. a. Genomic distribution of 5895 selected markers in WDR6K. b. Percentages of different types of SNP loci in by WDR6K. c. Percentages of different types of SNP loci in by Rice6K-1. d. Percentages of different types of SNP loci in by Rice6K-2. e. Venn diagram of selected SNPs of WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2.

2、功能基因与非同义SNP优先

（1）功能相关SNP筛选

非同义突变优先：WDR6K包含>90%的错义SNP（非同义突变），显著高于同类其他水稻6K芯片（如Rice6K-1和Rice6K-2）。这些位点更多的与表型功能相关，例如抗旱基因的编码区变异。

关键性状基因覆盖：SNP位点关联5076个基因，包含大量已知的绿色性状基因（如干旱响应、ABA信号、营养利用等）。例如，OsNAC10、OsDREB1A等抗旱调节基因。

（2）抗逆响应基因富集

芯片覆盖基因在干旱、渗透压、氧化胁迫及ABA处理下表达变化显著，表明其功能与抗旱机制紧密关联。GO和KEGG富集分析显示，这些基因显著参与“脱落酸响应”“氧化还原过程”“水分胁迫响应”等通路。

3、整合陆稻与水稻的遗传分化位点

（1）陆稻特异性位点筛选

针对典型陆稻与典型水稻的分化窗口，筛选2-3个高分化SNP位点（AF差异>0.30），占总SNP的41%。这些位点有助于挖掘陆稻特有的抗旱等位基因。

通过主成分分析（PCA），基于WDR6K的分化位点可清晰区分陆稻与水稻亚群，证实其有效捕获生态型分化特征。

（2）遗传资源利用优势

对比同类其他水稻SNP芯片（如Rice6K-1/2），WDR6K包含更多陆稻特异位点，避免了因低频率（在常规群体中罕见）导致的标记遗漏，提升了陆稻遗传资源在育种中的应用潜力。

Fig. 2. Results of principal component analysis among the source population based on genomic SNPs (a) and selected SNPs in WDR6K (b). The source population, where SNPs of WDR6K are generated, has 762 rice genotypes with typical upland and lowland rice (Table S1).

4、低成本技术与灵活升级

（1）液态相捕获测序技术（cGPS）

采用靶向捕获测序技术，通过合成探针捕获目标区域，实现低成本（约同类芯片50%）、高通量基因分型。cGPS技术无需固相芯片硬件更新，便于后续版本迭代中新增标记的灵活整合。

（2）验证与可靠性

技术重复（Nip2-1/-2）与生物学重复（Nipponbare个体）的基因型一致性>99.7%，证实高重复性。随机40个水稻品种的基因分型成功率达98.2%，表明芯片具备广泛适用性。

二、与其他水稻SNP芯片对比的核心优势

1、基因表达对干旱相关的敏感性更强

转录组数据验证：WDR6K覆盖的基因在田间干旱、ABA、PEG（渗透胁迫）、H₂O₂（氧化胁迫）处理下表现出更大的表达变化。干旱条件下，基因表达变化的绝对值（|log₂FC|）为0.89，显著高于Rice6K-1（0.77）和Rice6K-2（0.66）；PEG处理下，WDR6K基因的表达响应强度是其他芯片的1.3-1.5倍。

通路富集分析：WDR6K覆盖的基因显著富集于耐旱相关通路。KEGG：植物激素信号（ABA、乙烯）、MAPK信号、谷胱甘肽代谢；GO：氧化还原酶活性、水分胁迫响应、活性氧代谢。

Fig. 3. Comparisons of genes covered by WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2. a. Venn diagram of genes covered by WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2. b. Number of known genes associated with different functions covered by WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2. c. Averaged fold changes of genes covered by WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2 in response to the progressive field drought in two rice genotypes (IRAT109 and HH1B). d. Averaged fold changes of genes covered by WDR6K, Rice6K-1, and Rice6K-2 in response to treatments of 100 umol/L abscisic acid (ABA), 15 % PEG6000, 150 mmol NaCl, and 1 % H2O2 in Nipponbare. The p values in blue and brown indicate significant differences between WDR6K and Rice6K-1 and those between WDR6K and Rice6K-2 by the independent t-test, respectively.

2、更密集的耐旱功能位点覆盖增强了GWAS检测效能

利用WDR6K对两个独立群体（包含485个水稻基因型）进行GWAS，鉴定到922个与耐旱性显著关联的SNP，涵盖已知QTL（如qDTY12.1）和新位点；对相对籽粒产量（RGY）变异的解释率（R²）达25.3%，高于Rice6K-1（18.7%）和Rice6K-2（21.6%）。

Fig. 4. Manhattan plots of results from genome-wide association study (GWAS) for drought resistance based on combined SNPs from WDR6K (indicated by red arrows), Rice6K-1 (indicated by blue arrows), and Rice6K-2 (indicated by yellow arrows). a. Manhattan plot of GWAS for the drought resistance quantified by drought resistant coefficient evaluated in 2011. b. Manhattan plot of GWAS for the drought resistance quantified by drought resistant coefficient evaluated in 2012. c. Manhattan plot of GWAS for the drought resistance quantified by relative grain weight evaluated in 2016.

WDR6K通过整合水陆稻分化位点、功能错义突变和已知抗旱基因，首次实现了对水稻绿色性状（尤其抗旱性）的前景选择与背景选择的平衡。其设计理念兼顾了分子育种的实用性（低成本、高灵活性）与科学需求（功能标记密度），为节水抗旱稻（WDR）的分子设计育种提供了不可替代的工具。

上海市农业生物基因中心与华中农业大学联合培养的博士研究生李自明、上海市农业生物基因中心王磊助理研究员和刘毅研究员为论文共同第一作者，罗利军教授与夏辉教授担任通讯作者。研究获国家自然科学基金（U24A20399）、上海市科委项目（23JC1403500）等资助。

DOI：10.1016/j.stress.2025.100800

文图：李自明

编辑：张婧琪

审核：周佩雯