二倍体月季坐果遗传基础解析：LG3主效QTL的发现与育种应用

《Current Plant Biology》：Determining the genetic basis of hip set in diploid roses

本研究针对月季(Rosa spp.)坐果(hip set)遗传机制不明的问题，通过利用两个多亲本二倍体月季群体进行多年表型评价和基于系谱的QTL定位，首次发现了一个稳定存在于连锁群3(LG3)23.0-34.0 Mbp区间的主效QTL，可解释18%-56%的表型变异。研究人员鉴定了与高低坐果率相关的SNP单倍型，并追溯了其等位基因来源。该研究为深入理解月季坐果遗传调控奠定了基础，对开发提高月季果实产量的分子育种工具及指导其他蔷薇科作物育种具有重要意义。

　　

月季，这种被誉为全球最受欢迎的观赏植物，其栽培历史可追溯至中国汉代。然而，月季的价值远不止于观赏，其花朵和果实（称为hip）在药用、食用和化妆品领域有着广泛应用。特别是月季果，富含酚酸、维生素C、类胡萝卜素、生育酚等多种高价值植物化学物质，显示出抗氧化、抗癌、抗糖尿病、抗菌、心脏保护、免疫调节和神经保护等多种生物活性潜力。在欧洲，月季果育种项目致力于改良果实大小、果肉百分比和维生素C含量，以充分利用这些益处。

尽管月季果经济价值显著，但月季坐果（即子房在授粉后发育成果实的过程）的遗传基础却一直未被探索。月季坐果受到多种因素影响，包括亲本遗传结构、倍性水平、环境条件（如温湿度）、花粉来源、数量、形态和活力，柱头形态以及结果能力等。其中，研究最为深入的是二倍体月季中普遍存在的配子体自交不亲和性(GSI)系统，这是一种防止自交、维持物种遗传多样性的生殖屏障。在月季中，控制自交不亲和性的S-基因座位于LG3，但其具体作用机制尚未完全阐明。近年来，基因组组装的应用在解析月季多个关键性状的遗传结构方面发挥了关键作用，但与月季坐果遗传基础相关的研究仍然空白。因此，鉴定与月季坐果相关的数量性状位点(QTL)，对于提高育种项目效率、选育具有改良坐果性能的新月季品种至关重要。

为了解决这一科学问题，由Zena J. Rawandoozi、Tessa Hochhaus、Maad Y. Rawandoozi、Patricia E. Klein、David H. Byrne和Oscar Riera-Lizarazu组成的研究团队，在《Current Plant Biology》上发表了他们的最新研究成果。该研究旨在：（1）利用两个大型多亲本二倍体群体鉴定与月季坐果相关的QTL；（2）鉴定与高低坐果率相关的SNP单倍型及其来源；（3）确定亲本的QTL基因型。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：研究材料为两个多亲本二倍体月季群体（TX2WSE和TX2WOB），分别包含6个和10个F₁家系，在田间采用随机区组设计进行多年（2020, 2021, 2023, 2024）表型评估，使用0-5等级评分法对坐果率进行视觉估计。通过基因分型测序(GBS)技术获取单核苷酸多态性(SNP)标记，并构建了整合共识图谱(ICM)。利用FlexQTL软件进行基于系谱的贝叶斯QTL定位分析，鉴定与坐果率相关的QTL。通过单倍型分析鉴定与性状相关的SNP单倍型及其效应，并利用玫瑰基因组数据库(GDR)和中华月季基因组v1.0组装对QTL区间内的候选基因进行筛选。

2. 结果

2.1. 评估自交亲和性(SI)

通过对78个随机选择的个体进行自交亲和性评估，发现只有17个个体产生了小型果实，坐果评分仅为1（10%）。这表明在花序套袋允许自花授粉的条件下，大多数测试植株不产生果实，因此坐果主要由异花授粉引起。

2.2. 表型数据

从两个群体四年间获得的坐果率表型数据呈连续分布。TX2WOB群体在2023年记录到最高平均坐果评分（3.3），而TX2WSE群体在2021年记录到最低平均坐果评分（2.4）。所有数据集均存在从约0到5评分等级的变化范围，表明月季坐果受多因素控制。

2.3. 遗传力及基因型与环境互作(G×E)

狭义遗传力(h²)因环境和群体而异，在TX2WSE中为中等偏高（0.50至0.58），在TX2WOB中为低至中等（0.18至0.36）。两个群体的广义遗传力(H²)均较高（0.80至0.89）。基因型与环境互作(G×E)较低，表现为年份间的高正相关性（r = 0.82和0.68）以及低σ²_g×e/σ²_g比值（0.25至0.46）。GGE双标图分析进一步证实，遗传因素对坐果率的影响大于环境因素。

2.4. 整合共识图谱(ICM)

TX2WSE群体的ICM包含2,677个标记，图谱长度758.2 cM。TX2WOB群体的ICM包含4,467个标记，图谱长度653.1 cM。经过FlexQTL数据整理后，最终分别有866个（TX2WSE）和1,115个（TX2WOB）信息性SNP标记用于QTL作图分析。

2.5. 全基因组QTL分析

在两个群体中共定位到23个与坐果率相关的QTL，包括1个主效QTL和多个微效QTL，分布在除LG4以外的6个连锁群上。

在TX2WSE群体中，在LG1、LG2、LG3、LG5和LG6上鉴定出14个QTL。其中，在LG3上检测到一个具有决定性证据的主效QTL（qHS.TX2WSE-LG3），该QTL位于17.76至31.88 cM（对应于中华月季基因组23.44至34.36 Mbp）区间，可解释40%至56%的表型变异(PVE)。在LG1、LG2、LG5和LG6上发现的微效QTL，其PVE在5%至17%之间。

在TX2WOB群体中，在LG2、LG3、LG6和LG7上定位到9个QTL。同样，在LG3上检测到一个主效QTL（qHS.TX2WOB-LG3），位于35.5至46.7 cM（23.49至33.61 Mbp）区间，PVE最高达18%。其他微效QTL位于LG2、LG6和LG7，PVE最高达17%。

qHS.TX2WSE-LG3和qHS.TX2WOB-LG3均位于LG3上，符合研究纳入标准，被用于后续分析。在TX2WSE群体中，qHS.TX2WSE-LG3位点鉴定出三种QTL基因型（qq, Qq, QQ），其中q与低坐果率相关，Q与高坐果率相关。QQ、Qq和qq基因型后代的平均坐果评分分别为3.5、2.1和1.3，表现出加性效应。在TX2WOB群体中未观察到qq基因型个体。

对主效QTL区间进行候选基因扫描，发现了数百个候选基因，其中许多与子房发育、激素生物合成和信号传导（如果实坐果涉及的生长素和赤霉素）、果实发育等过程直接相关。例如，在LG3 QTL区间内发现了生长素响应因子(ARF16)；在LG6 QTL区间内发现了赤霉素20-氧化酶3(GA20ox3)、赤霉素3-氧化酶1(GA3ox1)和细胞分裂素氧化酶(CKX7)；在LG7 QTL区间内发现了WUSCHEL相关同源框13(WOX13)等。

单倍型分析显示，在qHS.TX2WSE-LG3区间（约14 cM，~10.9 Mbp）内鉴定出7个SNP单倍型（A1至A7）。A1、A2和A3最为普遍，与高坐果率（Q等位基因）相关，而A4至A7与低坐果率（q等位基因）相关。双倍型效应比较表明，携带A1、A2或A3单倍型任意组合的个体可能具有提高坐果率的潜力。在qHS.TX2WOB-LG3区间（约11 cM，~10 Mbp）内鉴定出6个SNP单倍型（B1至B6）。B1至B5与高坐果率（Q等位基因）相关，仅B6与低坐果率（q等位基因）相关。双倍型效应比较表明，B2B1双倍型显示出高坐果评分（~3.9），可能具有提高坐果率的优势。

系谱记录显示，在两个群体中，有利等位基因（Q）的共同来源是‘Old Blush’，而不利等位基因（q）的共同来源是J14-3的父本。

3. 讨论

3.1. QTL定位与表征

本研究证实了自交不亲和性在所研究的二倍体月季群体中普遍存在。随机种植设计确保了所有花朵都能获得相容花粉，有效降低了配子体自交不亲和系统对结果的潜在影响。该研究首次阐明了月季坐果的遗传结构。坐果率在二倍体月季种质中具有低至中等偏高的狭义遗传力和高广义遗传力，表明该性状主要受遗传因素影响，环境效应较小。低G×E互作进一步支持了这一结果。

FlexQTL软件在两个多亲本群体中鉴定出众多与坐果率相关的QTL，但主效QTL位于LG3，其他微效QTL分布在除LG4外的所有其他连锁群上。这表明月季坐果率的变异是由许多具有主效和微效的遗传因素的累积效应所致。

LG3 QTL定位于中华月季基因组组装约23.44至34.36 Mbp区间，在两个二倍体多亲本群体和不同环境中均被检测到，且具有决定性证据和高达56%的PVE。该主效QTL稳定，受遗传背景和环境变化的影响小。值得注意的是，该LG3 QTL与LG3上的重瓣花(DOUBLE FLOWER)基因座（33.24至33.53 Mbp）和连续开花基因RoKSN（约31.5 Mbp）位置相近。研究发现坐果率与花瓣数之间存在微弱的负相关（r = -0.23），但在排除重瓣花（花瓣数超过40）植株后，这两个性状之间没有相关性。此外，在LG2末端也观察到了QTL共定位，PVE最高达17%。其他在LG1、LG5、LG6和LG7上的微效QTL则具有群体特异性。

QTL基因型结果显示，TX2WSE群体中的qHS.TX2WSE-LG3表现为加性效应。TX2WOB群体中缺乏qq基因型个体，限制了对该群体qHS.TX2WOB-LG3基因作用方式的探索。

对群体中LG3主效QTL的单倍型分析揭示了7个（TX2WSE）和6个（TX2WOB）单倍型。在qHS.TX2WSE-LG3中，A1、A2和A3单倍型与高坐果率（Q等位基因）相关，可通过chr03_29263455和chr03_29081168标记位点的相邻CC-或GG-等位基因与其他单倍型区分。在qHS.TX2WOB-LG3中，B1至B5单倍型与高性状值（Q等位基因）相关。系谱记录显示，两个群体中有利和不利等位基因的共同来源分别是‘Old Blush’和J14-3的父本。鉴定出的与坐果率相关的单倍型及其来源，可根据月季育种目标（如观赏花卉生产选育低坐果率，或工业用果生产选育高坐果率）用于标记辅助选择。

3.2. 与定位QTL重叠的候选基因

为了理解月季坐果QTL，需要将其与调控被子植物果实坐果的保守分子通路联系起来。果实坐果是授粉和受精后子房发育成果实的过程，其分子机制在许多果树作物物种中高度保守。例如，许多蔷薇科物种的果实坐果受激素互作调控，特别是生长素和赤霉素，它们促进子房生长并抑制脱落。

对与主效果实坐果QTL及其他定位QTL相关的基因组区域进行分析，利用中华月季基因组v1.0组装鉴定了数百个候选基因。研究重点放在了已知在重要植物激素生物合成或信号传导中起作用的基因，以及与子房、果实、花粉发育和自交不亲和机制相关的基因。

最显著的特征是多个参与植物激素代谢和信号传导的基因在定位的QTL区域内共定位。研究鉴定出生长素通路关键组分的同源基因，包括LG3 QTL上的一个生长素响应因子(ARF16)以及三个QTL上的多个生长素响应蛋白家族(AUX/IAA)成员。此外，还鉴定出对赤霉素生物合成至关重要的赤霉素20-氧化酶3(GA20ox3)和赤霉素3-氧化酶1(GA3ox1)基因。生长素和赤霉素(GA)在刺激果实起始中起核心作用。研究还发现了细胞分裂素氧化酶7(CKX7)、Cullin1(ATCUL1)、Topless、NAC 17、GRF、AGL62、CSLD4、CSLD3、ACC合酶、ADF、WOX13、NAC转录因子、TTG2、FUS3、EDA14、FRS5、SERK1、DFR-like1、LEA、凝集素受体激酶、SKU5-like、WRKY转录因子、多聚半乳糖醛酸酶、AGAMOUS、SKP1-like蛋白以及参与细胞分裂、扩增、增殖和细胞周期的基因。这些基因的存在为这些QTL在控制子房向果实转变中的作用提供了强有力的生物学合理性，并为未来的功能验证提供了有吸引力的候选基因。

4. 未来工作

作为首个月季坐果遗传研究，未来需要更多的遗传研究，包括在更广泛、遗传更多样的种质面板上进行GWAS分析，以验证已鉴定的QTL。此外，需要使用具有多样种质背景和更大群体规模的群体进行基于系谱的QTL定位研究，以验证检测到的QTL，改善三种QTL基因型的代表性，更好地估计单倍型效应和理解QTL间的互作（上位性）。最后，需要进一步研究以提高作图分辨率，界定更小的包含潜在候选基因的基因组区间。对已鉴定QTL区域内候选基因的功能验证（如基因表达谱分析和注释）对于未来研究至关重要。

5. 结论

本研究探索了二倍体月季坐果的遗传决定因素。利用基于系谱的QTL作图和两个大型多亲本二倍体群体，发现了一个对坐果率有较大效应的LG3主效QTL以及分布在其他连锁群上的多个微效QTL。位于LG3约23.0至34.0 Mbp区间的主效QTL在不同环境和群体中稳定存在，代表了一个独立于S-基因座的新遗传因子。同时，LG2末端的微效QTL在群体间重叠。这一发现为开发用于月季育种项目的DNA标记进行标记辅助选择以提高坐果率提供了潜在靶标。此外，该研究鉴定了与高、低坐果率相关的SNP单倍型，并追溯了QTL等位基因在两个群体中的来源至‘Old Blush’和J14-3的父本。

本研究结果可通过支持更准确地选择具有高坐果率的亲本和实生苗，显著提高育种项目效率。此外，这一见解有助于培育专门用于果实采收的月季品种。最终，该研究成果在经过验证后，可能对产量至关重要的其他蔷薇科作物产生更广泛的影响，从而提高这些作物的育种效率。