基于无人机多光谱成像的小麦持绿性单倍型分析揭示氮水平特异性遗传调控机制

《BMC Plant Biology》：UAV-based multispectral image analysis revealed stay-green haplotypes in wheat specific for different soil nitrogen levels

本研究针对小麦持绿性状(stay-green)在不同氮水平下的遗传调控机制不明确的问题，通过无人机多光谱成像技术对221个小麦品种进行表型分析，结合全基因组关联研究(GWAS)鉴定出两个有利主效等位基因单倍型(存在于95%持绿品种中)和一个低氮特异性有利次要等位基因单倍型。研究发现植物衰老反射指数(PSRI)是最可靠的持绿指标，持绿性与籽粒产量呈显著正相关，特别是在低氮条件下(r=-0.81)。这些单倍型可显著提高持绿性和籽粒产量，为培育氮高效利用小麦品种提供了重要遗传资源。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，小麦作为世界主要粮食作物面临着提高产量和减少环境足迹的双重挑战。氮肥是小麦生产的关键因素，但过量施用会导致环境污染，而氮肥不足又会限制产量。在这一背景下，小麦的持绿性状(stay-green)——即叶片衰老延迟的特性——因其与光合作用延长和产量提高的密切关系，成为育种研究的热点。然而，持绿性状的遗传基础复杂，且在不同氮水平下的表达机制尚不明确。

为解决这一问题，Helen Behn等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。研究团队通过两年田间试验，利用无人机多光谱成像技术对221个小麦品种在三种氮水平(高氮220 kg/ha、中氮110 kg/ha、低氮仅土壤本底氮)下的持绿性进行了系统评估。研究比较了多种植被指数，发现植物衰老反射指数(PSRI)因其对色素组成变化的高敏感性和可靠性，成为最理想的持绿性指标。

研究人员采用的主要技术方法包括：基于无人机多光谱成像的高通量表型分析、全基因组关联研究(GWAS)鉴定标记-性状关联、单倍型分析确定有利等位基因变异，以及利用线性混合模型进行遗传方差和相关性分析。研究材料为包含165个德国品种和56个国际品种的多样性面板，覆盖50年育种历史。

植物衰老反射指数被确定为最敏感的持绿指标

通过比较归一化植被指数(NDVI)、归一化红边指数(NDRE)和PSRI三种植被指数，研究发现PSRI与叶绿素含量(SPAD)的相关性最强(r=-0.61)，且在低氮条件下表现尤为突出(r=-0.5)。

可靠性分析进一步证实PSRI在不同成像日期均优于NDRE，使其成为后续遗传分析的理想指标。

所有成像日期均存在持绿性的遗传和环境方差

研究发现持绿性存在显著的遗传方差，且在衰老高级阶段(6月24日/1107 GDDs)最为明显。

环境方差同样存在于所有成像日期，高氮条件下的持绿性始终优于低氮条件。品种与时间的交互作用显著，表明不同品种的衰老动态存在差异。

高表现品种显示相对衰老速率的暂时下降

持绿性强的品种不仅起始PSRI值较低，其相对衰老速率也较低，甚至在6月9日至24日的中央衰老期出现暂时停滞。

这种衰老减缓现象在高氮条件下最为明显，表明持绿性强的品种具有更好的氮利用效率(NUE)。

PSRI与产量的相关性在低氮条件下最强

PSRI与籽粒产量和NUE呈显著负相关，且这种相关性随衰老进程逐渐增强(从5月27日的-0.49增至6月24日的-0.68)。

在低氮条件下，相关性最强(r=-0.81)，凸显了持绿性在氮限制环境中的重要性。

多样性面板代表五个十年的植物育种历史

主成分分析显示，221个品种按起源和育成年代形成重叠集群，反映了德国及其他地区五十年育种历史的遗传多样性。

现代德国基因型与来自其他地区的古老基因型在第一主成分上存在差异，尽管该成分仅解释总遗传方差的6.1%。

鉴定出跨氮水平和低氮特异性的标记-性状关联

GWAS共鉴定出26个独特的标记-性状关联，其中16个跨氮水平，11个特异于低氮条件。

三个大效应位点(PVE>10%)被鉴定跨氮水平，其中AX-111561744和AX-158618766在中央衰老期分别解释58.3%和24.5%的表型方差。四个大效应位点特异于低氮条件，BS00067216_51和AX-158578529分别解释36.0%和32.4%的方差。

鉴定出的单倍型增强持绿表现和籽粒产量

单倍型分析显示，AX-111561744和AX-158618766的有利主效等位基因单倍型能显著提高所有氮水平下的持绿性和籽粒产量。

这些单倍型存在于95%的持绿品种(基于PSRI值的前25%品种)中。BS00067216_51的有利次要等位基因单倍型特异于低氮条件，当与两个有利主效单倍型叠加时，能进一步增加低氮和中氮条件下的持绿性。

等位基因频率随时间变化揭示对持绿性的间接选择

基于当前多样性面板，两个大效应位点的有利次要等位基因(BS00067216_51和AX-111103882)在过去几十年中频率增加。Tdurum_contig30082_197的有利等位基因甚至从1960年代的25%增至2010年代的70%，从次要等位基因转变为主要等位基因，表明在德国小麦育种中可能存在对持绿性的间接选择。

本研究通过整合多光谱成像分析与基因组学工具，系统解析了小麦持绿性状在不同氮水平下的遗传基础。研究发现PSRI是评估持绿性的最优指标，其与产量的强相关性证实了持绿性作为育种目标的潜力。鉴定出的持绿性单倍型不仅为标记辅助选择提供了具体靶点，其叠加效应还展示了通过基因聚合培育适应性更强小麦品种的可能性。这些发现对实现小麦生产的可持续集约化具有重要意义——在低投入系统中通过高NUE确保产量，在高投入系统中通过减少氮肥施用降低环境足迹。研究建立的无人机多光谱表型分析方法也为作物遗传改良研究提供了可靠的技术框架。