高粱幼苗霜冻耐受性的遗传多样性解析与全基因组关联研究为温带地区种植提供新策略

本研究针对高粱(Sorghum bicolor)在温带高纬度地区种植面临的早春霜冻敏感性问题，通过285份多样性材料的田间冷出苗试验和半控制霜冻生存实验，结合GWAS分析，首次系统揭示了高粱幼苗霜冻耐受性的遗传基础。研究发现霜冻耐受性与冷出苗性状受不同遗传位点控制，鉴定到Sb02、Sb07和Sb08染色体上4个显著关联位点，同时筛选出兼具高霜冻存活率(>90%)和冷出苗率(>35%)的优异种质，为培育适应温带气候的高粱品种提供了重要理论依据和育种材料。

　　

随着气候变化加剧，寻找适应温带地区的新型作物成为保障粮食安全的重要课题。作为全球第五大谷物的高粱(Sorghum bicolor L. Moench)因其优异的抗旱性和低投入需求备受关注，但其热带起源导致的低温敏感性严重限制了在北半球温带地区的种植。特别是在早春播种时，短暂的霜冻事件常导致幼苗全军覆没，迫使农民推迟播种，进而缩短生育期影响产量。虽然中国高粱(kaoliang)等资源具有耐冷特性，但其农艺性状差且仅耐受0°C以上低温，真正的霜冻(低于0°C)耐受机制仍属空白。

Justus-Liebig-University Giessen的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究填补了这一空白。研究人员设计了三管齐下的实验策略：首先在德国Gross-Gerau开展早播(4月8日)田间试验，模拟实际生产中遭遇的连续16天零下温度(最低-5.3°C)环境；随后两年(2022-2023)在Giessen进行半控制霜冻实验，精确记录幼苗在-3°C条件下的生存表现；最后结合27,440个SNP标记开展全基因组关联分析。这种多环境表型鉴定与基因组学相结合的方法，系统解析了高粱应对不同强度低温胁迫的遗传机制。

关键技术包括：(1)285份全球多样性材料(涵盖5个高粱种族和主要地理来源)的性状评价；(2)早播田间试验记录出苗指数(EI)、出苗率(E%)和活力；(3)半控制霜冻实验测定生存率和伤害评分(1-9级)；(4)基于DArTseq技术的基因分型(过滤后6,710个SNP)；(5)混合线性模型(MLM)GWAS分析(显著性阈值-log₁₀(p)≥3)。

遗传多样性分析
STRUCTURE分析将材料分为3个亚群，其中粉红色簇包含多个中国高粱资源(PI610744等)和荷兰育种系SBTR132412——后者是唯一在霜冻生存率(>90%)、冷出苗率(>35%)和生殖期耐冷性(PHI>0.6)均表现优异的基因型。值得注意的是，大多数优异种质株高超过2米，暗示矮秆育种可能无意中丢弃了耐冷等位基因。

田间冷出苗表现
在平均地温10.2°C的早播条件下，出苗率呈现0-50%的极显著变异(p<0.001)。出苗指数(EI)与最终出苗率无相关性(r=0.13)，表明出苗速度与存活能力受不同机制调控。GWAS鉴定到Sb01、Sb03、Sb04、Sb05和Sb06染色体上12个显著位点，其中Sb04上的QTL与单宁含量基因Tan1相邻，印证了美国粒用高粱在选育无单宁品种时可能丢失了连锁的耐冷基因。

霜冻耐受机制
两个年度霜冻实验显示生存率呈中等遗传相关(r=0.35)，存在显著基因型×环境互作。2023年尽管霜冻持续时间更长(累计1,400分钟vs 2022年650分钟)，但生存率更高，推测与日间较高温度(24.5°C vs 19.2°C)促进修复有关。GWAS发现Sb02、Sb07和Sb08上4个霜冻特异QTL，与冷出苗QTL无重叠，证实两类性状的遗传独立性。特别值得注意的是，Sb07上QTL与干旱条件下的蒸腾速率QTL共定位，暗示该区域可能参与多种非生物胁迫响应。

讨论与展望
该研究首次揭示：(1)高粱幼苗能耐受短期-3°C霜冻，打破其"绝对冷敏感"的传统认知；(2)霜冻与冷耐受存在遗传解耦，可通过分子标记辅助选择(MAS)分别改良；(3)中国高粱资源携带独特耐冷等位基因，但欧洲育种材料(如SBTR132412)证明通过定向选择可获得综合农艺性状更优的耐霜冻基因型。研究者建议未来通过基因编辑验证Tan1/Dw3等位基因与耐冷性的因果关系，并在更多环境验证QTL稳定性。这些发现为培育适应温带气候的高粱品种提供了分子工具和种质资源，对实现早播避旱、扩展种植纬度具有重要实践意义。