中美洲菜豆理想株型相关性状的遗传解析：单性状、多性状及全基因组上位性互作分析

本研究针对气候变化背景下菜豆遗传改良的关键问题，通过评估285份中美洲菜豆种质资源在三个生长季的农艺性状（开花期、成熟期、色素含量、倒伏性和产量），采用单性状GWAS（st-GWA）、多性状GWAS（mt-GWA）和3VmrMLM上位性分析方法，鉴定到52%表型变异解释率的倒伏相关位点（Pv04）和90.96 kg/Ha效应值的产量新位点，发现Pv01-Pv04互作可提升产量234 kg/Ha。研究为菜豆分子设计育种提供了新靶点，成果发表于《Theoretical and Applied Genetics》。

　　

随着气候变化加剧，作为人类重要蛋白质来源的普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）面临产量和适应性提升的双重挑战。传统育种受限于复杂性状的遗传解析难度，特别是理想株型相关性状（如早熟、直立生长习性）与产量的协同改良始终是难题。现有GWAS研究多聚焦单性状分析，对多性状协同调控机制和基因互作网络的认识存在显著空白。

McGill大学的研究团队通过系统评估285份中美洲菜豆种质资源（Mesoamerican Diversity Panel, MDP）在2021-2023三个生长季的表型数据，整合单性状GWAS（FarmCPU模型）、多性状混合模型（MTMM）和新型三方差多定位点随机SNP效应混合线性模型（3VmrMLM），首次全面解析了菜豆理想株型性状的遗传架构。研究采用随机区组设计（RBD）进行田间试验，基于GBS基因型数据和BLUP校正表型值，通过主成分分析（PCA）和亲缘矩阵（K）控制群体结构，利用GWASpoly估算标记效应，在100 kb窗口内筛选候选基因。

开花期（DTF）遗传解析发现Pv11上S11_50734871（-0.93天效应，11% PVE）与拟南芥SUPERMAN同源的Phvul.001G158700可能通过调控花发育关键基因发挥作用。成熟期（DTM）分析揭示Pv04上S04_40907424（-2.35天效应）邻近的甲基转移酶基因Phvul.001G124700，其拟南芥同源基因参与衰老叶片调控。值得注意的是，倒伏性相关位点S04_4185944表现出52%的惊人表型变异解释率，候选基因Phvul.007G221500编码的SYP7蛋白可能通过影响细胞壁结构发挥作用。

多性状分析发现两个关键调控枢纽：Pv02上DCP5-L基因（Phvul.002G122400）同时调控开花期和产量，其参考等位基因可使产量增加164.2 kg/Ha同时缩短开花期3天；Pv04上UGT超家族基因（Phvul.004G035800）对成熟期和倒伏性具有协同调控作用，双突变基因型使成熟期延长4.6天同时倒伏评分恶化3.1分。

上位性分析揭示了10对显著互作位点，其中Pv01（Phvul.001G247600）与Pv04（Phvul.004G037700）的TCP13-WRKY33互作网络可解释5.19%产量变异，最佳等位组合使产量提升23.9%。叶绿素合成通路中，Pv06（细胞色素P450基因）与Pv10的互作可解释6.34%的ChlB变异，这与光合效率改良直接相关。

该研究通过多维度遗传分析方法，首次系统绘制了中美洲菜豆理想株型性状的遗传图谱。发现的52% PVE倒伏位点和Pv01-Pv04高产互作网络为分子设计育种提供了直接靶点，其中TCP13-WRKY33调控模块的解析为理解产量形成的基因互作机制提供了新视角。研究建立的MTMM-3VmrMLM联合分析框架为其他作物复杂性状研究提供了方法学参考，相关标记已应用于McGill大学菜豆育种项目的亲本选配。特别值得注意的是，相比传统单性状GWAS仅能解释7-19%表型变异，多方法整合使遗传解析力提升至59%，这一突破为克服"缺失遗传力"难题提供了实证案例。