基于基因分型测序技术的籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）多样性群体遗传距离与全基因组群体结构分析

为解决籽粒苋遗传资源未充分表征的问题，研究人员采用GBS技术对192份全球种质进行基因分型，鉴定出41,931个SNP，揭示三大亚群结构及功能注释基因，为营养强化育种和气候适应性改良提供基因组资源与理论依据。

　　

在全球粮食安全面临日益严峻挑战的背景下，主要作物遗传多样性狭窄、营养结构单一等问题逐渐凸显。水稻、小麦、玉米和马铃薯这四大作物虽提供了全球60-70%的能量需求，却缺乏必需氨基酸和矿物质，导致“隐性饥饿”问题日益严重。作为一种无麸质伪谷物，籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）因其高蛋白含量、丰富的必需氨基酸、低血糖指数和卓越的矿物质构成，被视为弥补现代粮食体系营养缺口的重要作物。此外，它还含有 squalene、tocopherols 等生物活性物质，具有降低心血管疾病和糖尿病风险的潜力。然而，由于缺乏基因组水平的种质资源鉴定，其育种进展长期受限。

为此，由Rashmi Chauhan和Dinesh Pandey共同领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究，利用基因分型测序（Genotyping-by-Sequencing, GBS）技术对192份来自全球的籽粒苋种质资源进行了系统性遗传分析。该研究旨在：1）通过GBS开发高质量SNP标记；2）解析群体遗传结构与多样性；3）对携带SNP的基因进行功能注释（Gene Ontology, GO），为后续基因挖掘与育种利用提供基础。

研究人员采用ApeKI酶切建库，使用Illumina HiSeq X10平台进行测序，依托TASSEL GBS流程和A. hypochondriacus v2.1参考基因组进行比对与变异检测。样本涵盖120份印度本地种质（IC）和69份外来种质（EC），以及3份NAIP种质。通过严格的过滤（MAF≥5%，缺失率≤20%），最终获得41,931个高质量SNP用于后续分析。

High-Throughput Genotyping of Amaranthus hypochondriacus accessions

研究共生成约4亿条原始测序读段，鉴定出6,588,854个原始SNP，其中纯合型5,477,353个，杂合型1,111,501个。等位基因出现频率最高的是G/C（23.95%），最低为T/G（2.42%）。值得注意的是，转换/颠换（Ts/Tv）比值为0.54，显著低于多数作物（如玉米2.5、拟南芥2.4），显示出籽粒苋中颠换突变占主导的独特模式。

染色体分布分析显示，染色体1携带最多SNP（4361个），染色体16最少（1315个），另有363个位于未定位contig中。

Linkage disequilibrium and haplotype block

连锁不平衡（LD）分析显示，基于r2=0.1的阈值，平均单倍型块大小为295,883 bp，LD衰减较快，显示出较高的重组率与遗传多样性。

Phylogenetic analysis

邻接法构建的系统发育树将192份种质分为三大类群（A、B、C）。Cluster A为主要类群，包含159份种质，其中90份为印度种质，69份为外来种质，进一步划分为11个亚簇，显示出较强的地理混合现象。Cluster B全部为印度种质（26份），Cluster C则包括6份印度种质和1份中国种质。结果表明，籽粒苋种质未能按地理来源完全分离，反映出广泛的基因流与人工引种历史。

Population structure analysis

基于STRUCTURE软件的最佳亚群数（K=3）分析确认三大遗传亚群的存在，其结果与系统发育分析高度一致。ADMIXTURE分析进一步显示多数种质为混合 ancestry，仅少数保持遗传纯合。

DAPC（判别主成分分析）与多维尺度分析（MDS）均支持三大类群的划分，并显示非洲种质集中分布于Cluster 1，其余地区种质则广泛分布于各群，证实了籽粒苋的全球传播与基因交流历史。

Genetic diversity and population differentiation analysis

遗传多样性分析显示，俄罗斯、美国和欧洲地区种质具有较高的核苷酸多样性（π≈0.309），而非洲和中国种质较低（π≈0.183）。所有群体Tajima’s D均为负值，表明近期经历过群体扩张或选择清扫。近交系数（FIS）以俄罗斯最高（0.412），非洲最低（0.056），印度种质普遍呈现较高的纯合性。群体间分化分析（FST）显示非洲与其他地区遗传距离最大（FST=0.076），而印度与美国、中国等群体分化较小（FST=0.005–0.015），再次印证了历史上的基因交流。

Functional annotation of Single-Nucleotide polymorphisms

共2815个GO术语被注释到携带SNP的基因上，其中生物过程（1107项）、分子功能（984项）和细胞组分（724项）为主要类别。代谢过程（39.65%）和细胞过程（30.8%）占生物过程主导；结合功能（43.5%）和催化活性（43.2%）为分子功能主要类别；细胞部分（19.06%）、膜（17.54%）和细胞器（13.25%）则是细胞组分中的高富集项。

结论与意义

该研究通过GBS技术成功构建了籽粒苋的高密度SNP图谱，系统揭示了其全球种质的遗传结构与多样性分布。三大遗传亚群的发现为育种中的亲本选配提供了理论依据，而功能注释结果则为进一步挖掘营养品质、抗逆性相关基因奠定了基础。研究表明，籽粒苋种质资源具有高度遗传混杂性，其主要起源中心为美国，后经欧洲、中国传入印度，并在各地形成适应型种质。

该研究成果不仅为籽粒苋的分子育种和基因发掘提供了关键数据支持，也为其他小众作物的基因组资源开发树立了范例。通过整合基因分型、群体遗传学和功能基因组学方法，本研究推动了伪谷物作物在营养安全与可持续农业中的战略应用，未来可用于指导标记辅助选择、基因编辑及营养强化育种计划。