基于全基因组关联分析解析参薯叶片形态生理性状的遗传基础及其在抗逆育种中的应用

《BMC Plant Biology》：Identification and analysis of genomic regions influencing leaf morpho-physiological traits related to stress responses in greater yam (Dioscorea alata L.)

本研究针对气候变化背景下参薯(Dioscorea alata L.)抗逆性遗传机制不清的问题，通过全基因组关联分析(GWAS)系统解析了12个叶片形态生理性状的遗传基础。在53个基因型中鉴定到24个显著SNP位点及44个候选基因，其中气孔密度(DS)和蒸腾速率(E)等高遗传力性状在双地点稳定检测到关联信号。关键基因Dioal.18G049300(3-酮脂酰辅酶A合酶)和Dioal.12G033600(磷脂酰肌醇单磷酸5激酶4)分别被证实调控气孔发育和光合作用，为分子标记辅助选育气候智能型参薯品种提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，热带作物面临日益严峻的干旱和高温胁迫。参薯(Dioscorea alata L.)作为西非地区重要的粮食安全作物，其产量稳定性受到水分短缺的严重威胁。然而，关于参薯抗逆性状的遗传调控机制研究仍属空白，传统育种缺乏有效的分子标记。面对这一挑战，Komivi Dossa等人联合法国国际农业研究中心(CIRAD)等机构，在《BMC Plant Biology》发表了突破性研究，首次通过全基因组关联分析(GWAS)系统解密参薯叶片抗逆性状的遗传架构。

关键技术方法

研究团队在瓜德罗普岛两个气候差异地点(Duclos和Godet)种植53份参薯种质，精准测定了叶片干物质含量(LDMC)、净光合速率(A)、气孔密度(DS)等12个性状。利用D. alata v2.1参考基因组，对190万个高质量SNP进行GWAS分析，采用BLINK模型（贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套关键算法）提高检测效能，通过5kb窗口筛选候选基因并进行GO富集分析。

研究结果

1. 表型变异特征

12个性状在种质间存在极显著差异(P<0.001)，气孔密度(DS)变异系数达33.99%，蒸腾速率(E)遗传力最高(H²=0.94)。双地点比较显示，蒸腾利用效率(TUE)等5个性状受环境显著影响，而气孔密度等性状表现稳定。

2. 生态策略分异

CSR（竞争-胁迫耐受-干扰适应）生态策略分析表明，参薯种质在胁迫耐受(S)轴呈现广泛分化，干旱地区(Godet)种质更偏向胁迫耐受型策略。

3. 稳定遗传位点鉴定

气孔密度在18号染色体rs1737071位点（解释表型变异36.09%）、蒸腾速率在3号染色体rs202363位点（9.23%）均被双地点重复检测，证实其遗传稳定性。

4. 优势等位基因效应

rs1737071位点杂合基因型(GA)的气孔密度显著高于纯合型(GG)，rs450349位点GA基因型与高叶片干物质含量相关，为标记辅助选择提供靶点。

5. 候选基因功能解析

Dioal.18G049300（3-酮脂酰辅酶A合酶）通过调控超长链脂肪酸合成影响气孔发育；Dioal.12G033600（磷脂酰肌醇单磷酸5激酶4）参与光合信号传导。GO富集分析揭示候选基因显著富集于蜡质合成、气孔运动、水分剥夺响应等通路。

结论与展望

该研究首次构建参薯叶片抗逆性状的基因型-表型关联图谱，发现高遗传力性状更易检测到稳定遗传位点。优势等位基因的鉴定为标记辅助聚合育种提供分子工具，候选基因的挖掘为理解参薯逆境适应机制提供新视角。未来需扩大群体规模验证位点稳定性，并结合转录组数据完善基因调控网络。本研究为热带根茎作物抗逆育种提供了可借鉴的范式，对保障全球粮食安全具有重要战略意义。