群体基因组学揭示非洲本土谷物埃塞俄比亚画眉草(Eragrostis tef)性状改良的关键位点

为解决埃塞俄比亚画眉草（tef）产量受倒伏和小粒性状限制的问题，研究人员通过群体基因组学方法对220份种质进行重测序和多地点表型分析，发现与穗型、粒色和脂肪酸代谢相关的关键基因位点（如qSH1和TT2），为培育抗倒伏、大粒且符合市场需求的白色品种提供了分子靶点。该研究发表于《Communications Biology》，为这一"超级食物"作物的遗传改良奠定了基础。

　　

埃塞俄比亚画眉草（Eragrostis tef）是非洲之角地区种植数千年的古老谷物，因其无麸质、高蛋白和高矿物质含量被誉为"超级食物"。然而，tef的产量受到两大关键限制：一是茎秆倒伏问题，尤其在施氮肥条件下更为严重；二是其种子颗粒极小（千粒重仅0.2-0.4 g），导致播种效率低且收获损失高达16-30%。更复杂的是，埃塞俄比亚消费者对白色籽粒品种有强烈偏好，而传统棕色品种往往与更好的营养品质相关。这些相互矛盾的农艺与市场需求，使得tef的遗传改良面临独特挑战。

为破解这一难题，由英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）领衔的国际研究团队对埃塞俄比亚农业研究所（EIAR）核心种质库中的220份tef材料进行了全基因组重测序，结合三地点的田间表型分析（25个农艺性状）和籽粒代谢组学检测。研究采用k-mer和SNP双策略的全基因组关联分析（GWAS），鉴定出控制穗型紧凑度、籽粒大小和颜色的关键基因组区域，并首次揭示了粒色与脂肪酸代谢的遗传关联。相关成果发表在《Communications Biology》期刊。

关键技术方法包括：1) 对220份tef种质进行平均14.2×深度的Illumina双端测序；2) 在埃塞俄比亚三个生态区（Alem Tena、Chefe Donsa和Debre Zeit）进行田间表型采集；3) 使用MARViN籽粒分析仪进行高精度粒型测量；4) 流动注射电喷雾高分辨质谱（FIE-HRMS）进行非靶向代谢组学分析；5) 基于k-mer和SNP的双重GWAS策略。

SNP和k-mer分析揭示核心种质库的冗余性
通过41,289个高质量SNP构建的系统发育树和k-mer共享率分析，发现220份材料中存在31个冗余组（每组2-19个材料），最终确定150个非冗余种质。特别值得注意的是，材料DZ-01-1167含有2.94亿个独特k-mer（平均水平1.6亿），暗示其可能携带远缘渗入片段。研究人员还开发了包含28个SNP的最小鉴别面板，可用于种质资源管理。

粒色与株高、籽粒形态的强相关性
表型分析发现白色品种比棕色品种株高平均增加（p<1×10^-5），但出乎意料的是，棕色品种籽粒面积更大（0.51 mm² vs 0.42 mm², p<1×10^-15），而千粒重无差异，表明白色品种籽粒密度更高。这一发现打破了"棕色品种籽粒小"的传统认知，提示粒色与大小性状可独立遗传。

棕色与白色籽粒的代谢组差异
通过PLS-DA分析发现，棕色籽粒富含多不饱和脂肪酸（如亚油酸和α-亚麻酸）和类黄酮（如芦丁），而白色籽粒积累更多饱和脂肪酸（如辛酸）和特定黄酮醇（如芹菜素和山奈酚-3-O-鼠李糖苷-7-O-葡萄糖苷/KOROG）。这些代谢物差异解释了白色品种更长的保质期（不易酸败）和棕色品种更高的营养价值。

k-mer GWAS定位关键性状位点
在3B染色体上鉴定到70 kb的显著峰（含13个基因），其中Et_3B_031395是水稻qSH1（调控穗型的BEL1-like转录因子）的直系同源基因，为改良tef抗倒伏性提供了靶点。4A和4B染色体上存在粒色与粒宽的共定位区域，其中Et_4A_032842/Et_4B_039404是拟南芥TRANSPARENT TESTA 2（TT2，调控种皮色素合成的MYB转录因子）的同源基因。在白粒品种Tsedey中，这两个同源基因分别被LTR Copia反转座子在第三和第一外显子插入所破坏，导致蛋白截短。

讨论与意义
该研究首次在tef中建立了粒色-大小-脂肪酸代谢的遗传关联模型，同时发现可独立调控这些性状的基因组区域（如6A染色体上的白粒特异位点）。qSH1同源基因的鉴定为培育穗型紧凑的抗倒伏品种提供了分子工具，而TT2同源基因的变异机制则解释了粒色分化的遗传基础。研究开发的28-SNP鉴别面板和220份材料的基因组资源，将显著促进tef种质资源的有效利用。

这些发现对tef育种具有双重指导价值：一方面可通过标记辅助选择将大粒性状导入白色品种，另一方面也可通过编辑TT2等基因创制营养强化且市场接受的新品种。作为首个整合基因组、表型和代谢组数据的tef群体研究，该工作为其他"孤儿作物"的遗传改良提供了方法学范式，对提升全球气候变化下的粮食安全具有重要意义。