豌豆抗 Orobanche crenata 的遗传基础解析：GWAS 揭示新型抗性位点与候选基因

为解决豌豆生产受 crenate broomrape(Orobanche crenata)严重危害且缺乏高效防控手段的问题，研究人员利用 324 份豌豆种质和 26,045 个 DArTseq 标记开展全基因组关联分析(GWAS)，鉴定出 73 个与抗性相关的标记-性状关联(MTAs)，定位到 24 个候选基因（如 LRR-RLK、β-glucosidase sfr2-like 等），为抗性育种和可持续防控提供了重要遗传资源。

　　

豌豆（Pisum sativum L.）作为全球第二大广泛种植的豆科作物，不仅是人类饮食和动物饲料中重要的蛋白质来源，还在维持土壤肥力和推动食品工业发展中扮演关键角色。然而，在地中海农业系统中，豌豆生产受到 crenate broomrape（Orobanche crenata Forsk.）这一专性根寄生杂草的严重制约。O. crenata 通过宿主根系分泌物诱导发芽并附着寄生，独占宿主维管系统的营养吸收，导致豌豆严重减产甚至绝收。由于该杂草种子能在土壤中休眠数十年、繁殖力强，加之现有化学、生物及栽培防控措施成本高、效果有限，培育抗性品种被认为是控制 O. crenata 最有效且环境友好的策略。

遗憾的是，目前豌豆中仅发现部分和不完全的抗性，且遗传力低、易受环境影响，其分子机制尚不明确。以往基于双亲本群体的数量性状位点（QTL）定位研究虽已发现若干抗性位点（如 Ocp1、Ocp2 等），但标记分辨率低、遗传距离大，限制了其在育种中的应用。随着基因分型与测序成本降低及高质量豌豆参考基因组（Caméor 和 ZW6）的释放，利用全基因组关联研究（GWAS）等新技术挖掘更丰富的抗性遗传变异成为可能。

在此背景下，Osman Zakaria Wohor 等人联合西班牙可持续农业研究所（IAS-CSIC）和加纳萨凡纳农业研究所的研究团队，在《Theoretical and Applied Genetics》上发表了首篇针对豌豆抗 O. crenata 的 GWAS 研究。该研究利用 324 份来自全球的豌豆种质资源（包括野生种、地方品种和栽培亚种），结合四年的田间表型鉴定和高通量 DArTseq 基因分型（26,045 个标记），系统解析了抗性遗传基础，发现了新的抗性来源，并揭示了多个参与防御反应的候选基因。

为开展本研究，作者主要应用了以下几项关键技术：

1. 1.
   多环境田间表型鉴定：在西班牙科尔多瓦重度感染田块，采用 alpha lattice 设计连续四年（2017–2021）评估每株豌豆上 O. crenata 寄生数（N_{BR_p}），并通过最佳线性无偏预测（BLUP）校正环境误差；
2. 2.
   基因型分析：利用 DArTseq 技术对 324 份种质进行基因分型，获得全基因组范围的 SilicoDArT 标记；
3. 3.
   群体结构与亲缘关系分析：使用 ADMIXTURE 解析种群遗传结构，以控制 GWAS 假阳性；
4. 4.
   全基因组关联分析（GWAS）：采用 FarmCPU 和 BLINK 模型，整合 kinship 矩阵和主成分（PCs）作为协变量，检测标记-性状关联（MTAs）；
5. 5.
   候选基因挖掘与功能注释：基于参考基因组，在显著 MTA 上下游 30 kb 窗口内搜索候选基因，并通过 BLAST、InterProScan 进行功能注释。

研究结果

表型变异与抗性种质鉴定

所有豌豆种质均表现出对 O. crenata 的感染亲和性，但抗性水平呈现连续分布，说明抗性为数量遗传。广义遗传力 H2 估计值为 0.31–0.50，表明抗性受环境影响较大。通过基因型-环境互作（GGE）双标图分析，作者发现野生豌豆如 P. fulvum、P. abyssinicum 及 P. sativum subsp. elatius 表现出最高抗性水平，而栽培品种普遍更感病。其中， accession #317、#276、#308 和 #311 在多个环境中均表现稳定抗性。

群体遗传结构

ADMIXTURE 分析表明，该豌豆群体可划分为 4–6 个亚群，其中野生种质（P. fulvum、P. abyssinicum 和 P. elatius）聚为一类，而栽培品种（P. sativum var. sativum、P. arvense 等）呈现高度遗传混杂。

GWAS 识别抗性位点与候选基因

两种 GWAS 模型共检测到 73 个显著 MTAs（p 值经 Bonferroni 和 FDR 校正），涉及 50 个 SilicoDArT 标记，其中 37 个标记位于或邻近已知功能基因。这些位点分布所有 7 条染色体，但染色体 5 为抗性热点区域（22 个 MTAs）。

值得注意的是，部分标记与以往抗性 QTL 共定位，如标记 5900285 位于 n°br04_1 区间，3543480 位于 td2 区间，3556923 与 PsOcr-3 相邻。

通过功能注释，作者发现这些 MTA 周边候选基因广泛参与防御反应、信号传导、转录调控及次级代谢等过程，主要包括：

• •
  抗病相关基因：如编码 LRR 受体样激酶（LRR-RLK）、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、β-葡萄糖苷酶 sfr2 样蛋白等；
• •
  转录因子：如 SMR1-like MYB、MYB-related protein；
• •
  转运与代谢基因：如 NRT1/PTR 家族转运蛋白、RNA 甲基转移酶、氧化应激相关蛋白等。

结论与讨论

本研究首次通过 GWAS 系统解析了豌豆对 O. crenata 抗性的遗传架构，发现了多个 novel 抗性位点和候选基因，尤其揭示了染色体 5 作为抗性调控的热点区域。这些结果不仅验证了以往基于双亲本群体的 QTL（如 B5/rl3、n°br03_2 等），还提供了更精确的标记信息，有望加速抗性育种中标记辅助选择（MAS）的应用。

从机制角度看，鉴定到的候选基因（如 LRR-RLK、MYB 转录因子、β-glucosidase 等）多数已知参与植物防御反应、细胞壁强化、活性氧代谢及激素信号转导，这与前期研究中提出的抗性机制（如降低发芽诱导、附着后抑制、增强过氧化物酶活性等）相吻合。

作者指出，下一步需通过功能验证（如基因敲除、过表达等）明确这些候选基因在抗性中的具体作用，并利用本研究所发掘的抗性种质（尤其野生豌豆）通过杂交、基因聚合培育高产、抗病新品种。

总之，该研究为理解豌豆–寄生杂草互作提供了重要分子基础，为可持续农业中的抗性育种与病害防控策略提供了宝贵资源。