基于GBS测序与全基因组关联分析揭示Handroanthus chrysanthus种子形态变异的遗传基础与种质资源分类研究

本研究针对Handroanthus chrysanthus（金铃木）中国引种品种分类学争议问题，通过GBS技术对126份种质进行基因分型，结合GWAS分析首次定位29个与种子形态性状相关的SNP位点及68个候选基因，揭示了种群遗传结构并筛选出CDL12_15522等4个关键基因，为金铃木种质资源分类与分子育种提供理论依据和技术支撑。

在热带与亚热带地区的园林景观中，Handroanthus chrysanthus（金铃木）以其绚烂的花朵和卓越的适应性成为重要的观赏树种。然而，自20世纪60年代引入中国以来，该树种在叶片形态、果实毛被密度及种子大小等方面呈现显著差异，导致分类学争议——这些形态各异的种质究竟是同一物种的不同变种，还是分属两个独立物种？这一问题的悬而未决严重制约了种质资源的有效保护与育种开发。更值得注意的是，种子形态作为植物系统学研究中的稳定性状，因其受环境干扰较小，成为解决分类争议的关键突破口。

为破解这一难题，Shang等研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。他们首次采用基因分型测序（Genotyping-by-sequencing, GBS）技术对126份金铃木种质进行全基因组扫描，通过种群结构分析、全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study, GWAS）及表达验证，系统揭示了种子形态变异的遗传基础。

研究主要依托四大技术方法：一是基于GBS技术获取高通量单核苷酸多态性（SNP）数据；二是利用STRUCTURE、MEGA-X等软件进行种群遗传结构与系统发育分析；三是采用混合线性模型（MLM(Q+K)）开展种子形态性状的GWAS分析；四是通过qRT-PCR技术验证候选基因的表达差异。所有种质样本采集自中国广东省13个地区，涵盖韩江、茂名、阳江等地域来源。

种群结构与遗传多样性分析

通过124,574个高质量SNP标记的分析，研究发现126份种质可划分为两个亚群（G1和G2），其中G2亚群仅含13份来自江门新会大泽镇的种质，其余113份属G1亚群。邻接树与主成分分析（PCA）结果一致支持这一分类，且G2亚群的种子形态显著大于G1亚群（P<0.05）。亲缘关系分析表明80.3%的种质间无密切遗传关联，符合GWAS分析要求。

种子表型性状变异特征

对种子无翼长度（NWL）、无翼宽度（NWW）、翼长（WL）和翼宽（WW）的测量显示，四类性状变异系数达9.50–12.07%，且呈连续正态分布。广义遗传力（H²）介于0.78–0.84，ANOVA分析表明基因型间差异极显著（P<0.001），性状间存在显著正相关（r=0.38–0.84）。

连锁不平衡与模型选择

基因组连锁不平衡（LD）衰减分析发现，在50 kb距离内r²值衰减至峰值一半。通过比较GLM、MLM等模型，最终选择控制假阳性效果最佳的MLM(Q+K)模型进行GWAS分析。

GWAS与候选基因挖掘

在P≤5×10^?5阈值下，共检测到29个显著SNP位点，分别关联NWL（14个）、NWW（16个）、WL（2个）和WW（9个），其中9个为多效性位点。表型变异解释率（R²

qRT-PCR验证

通过对比G1与G2亚群中代表性种质的基因表达水平，发现CDL12_15522、CDL12_15254、CDL12_11100和CDL12_11105的表达量显著差异（P<0.05），其中CDL12_15522等基因在G1亚群高表达，而CDL12_15254在G2亚群高表达，表明这些基因可能直接参与种子形态建成的调控。

该研究首次从基因组层面证实中国引种金铃木存在两个遗传分化显著的亚群，为解决分类争议提供了分子证据。通过GWAS定位的SNP标记及候选基因为后续分子标记辅助选择（MAS）育种奠定了技术基础。此外，研究所揭示的防御与抗氧化相关基因的多效性，暗示种子形态变异可能与环境适应机制存在关联，为探索植物形态进化与适应性提供了新视角。这一成果不仅对金铃木种质资源保护与品种选育具有实践指导意义，也为其他木本观赏植物的遗传研究提供了范式参考。