黄瓜根系构型全基因组关联分析揭示干旱胁迫下关键候选基因与分子标记

为解决黄瓜（Cucumis sativus L.）对干旱高度敏感的问题，研究人员开展了一项全基因组关联研究（GWAS），通过水 deficit（WD）和PEG模拟胁迫处理，系统评估了86份黄瓜材料的根系构型（RSA）和地上部性状。研究鉴定到52个稳定SNP，定位到RBPs、ARFs、WDRs等关键候选基因及bHLH、ZNF、LRR-RLK等转录因子，为黄瓜耐旱育种提供了重要分子靶点和标记辅助选择策略。

　　

黄瓜作为全球广受欢迎的沙拉蔬菜，因其高水分需求和对干旱的高度敏感性，面临着气候变化下水资源短缺的严峻挑战。尤其在印度北部和西部地区，夏季露天栽培黄瓜时，水分供应不足已成为限制其生产的主要瓶颈。植物根系作为感知水分胁迫的第一器官，其构型（Root System Architecture, RSA）特征——包括根长、根体积、根表面积、根直径以及根尖数、分叉数和交叉数等——直接影响植株对土壤水分的获取能力。然而，由于根系表型鉴定的困难，黄瓜RSA性状的遗传基础及其在干旱响应中的作用尚未明确。

为了解析黄瓜耐旱性的遗传机制，Das等人在《BMC Plant Biology》上发表了一项研究，通过对86份黄瓜育种材料进行全基因组关联分析（GWAS），系统鉴定了与干旱胁迫下根系和地上部性状相关的显著标记-性状关联（MTAs）和候选基因。

研究采用了多项关键技术方法：基于水 deficit（WD）和PEG-6000模拟胁迫的 hydroponic 表型鉴定系统，覆盖了存活率、根长、根体积等9个性状；Genotyping-by-sequencing（GBS）技术对86份黄瓜材料进行SNP分型；Burrows-Wheeler Alignment（BWA）和SAMtools进行序列比对与变异检测；STRUCTURE软件分析群体结构；BLINK模型进行GWAS分析；以及BLAST和OmicsBox注释候选基因。

表型变异分析

研究发现，在WD和PEG胁迫下，所有性状均表现出显著变异。存活率（SSP）从0到100%不等，总根长（TRL）在WD下为4.15–73.83 cm，PEG下为6.34–95.34 cm。相关性分析显示，除平均根直径（ARD）外，其他性状均呈显著正相关，尤其是TRL与根分叉数（NRF）的相关系数高达0.95（WD）和0.96（PEG）。主成分分析（PCA）表明，前两个主成分解释了73.2%（WD）和79.6%（PEG）的变异，TRL、NRF和NRC对PC1贡献最大。

群体结构与GWAS分析

群体结构分析将86份材料分为两个亚群，其中12.94%为混合型。GWAS共检测到2668个显著MTAs（-log₁₀(p)>8），其中52个为在两种胁迫下均稳定的SNP，分布于除ARD外的所有性状。Chromosome 3携带最多稳定SNP（13个），其次为Chromosome 7（12个）和Chromosome 5（10个）。最显著的稳定SNP（S7_14026649，-log₁₀(p)=13.34）与根交叉数（NRC）相关。

多效性SNP与候选基因

5个SNP表现出多效性，如S7_14026649同时关联根尖数（NRT）、分叉数（NRF）和交叉数（NRC）。通过BLAST分析，40个SNP定位到候选基因附近，其中12个与已报道的耐旱基因相关。例如：

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  S3_37340567（存活率）邻近 Auxin Response Factor (ARF)，参与逆境信号转导；
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  S5_4311922（存活率）编码 Protein Phosphatase 2C (PP2C)，调节ABA信号通路；
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  S7_8946110（存活率）关联 DEAD-box RNA Helicase，参与RNA加工与应激响应；
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  S4_4208128（株高）编码 RNA-Binding Protein (RBP)，调控RNA代谢与干旱适应；
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  S6_5787817（NRC）邻近 ABC Transporter，影响渗透调节物质运输；
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  S3_28468308 和 S3_28468310（多效性SNP）编码 Leucine-Rich Repeat Receptor-Like Kinase (LRR-RLK)，参与干旱信号感知与传导。

研究结论与意义

该研究首次在黄瓜中通过GWAS系统解析了干旱胁迫下RSA性状的遗传基础，鉴定到52个稳定SNP和12个关键候选基因，包括ARFs、PP2Cs、RBPs、LRR-RLKs等。这些基因广泛参与植物激素信号、RNA处理、膜运输和应激响应，为阐明黄瓜耐旱分子机制提供了新视角。鉴定的稳定SNP可用于标记辅助选择（MABB），加速培育根系发达、抗旱性强的黄瓜品种。未来需通过功能验证（如qRT-PCR和基因编辑）进一步确认这些候选基因的作用，并探索其在不同遗传背景和环境下的应用潜力。