全基因组关联研究揭示了桃树开花和休眠性状的候选基因

《Horticultural Plant Journal》：Genome-wide association study reveals candidate genes for flowering and dormancy traits in peach

桃基因组与冬季休眠及开花时间关联性研究。通过重测序和GWAS分析，在 scaffolds 1、4、7发现5个关联区域，鉴定DAM4基因内含子449bp缺失导致蛋白合成缺陷，影响休眠释放。同时，ALFIN-like、LOV-like、VTC2-like、AGL18-like等候选基因及调控元件（LTR、MITE、CACTA）与低休眠需求及早开花显著相关。研究为桃抗寒育种提供了分子标记和机制解析。

　　全球变暖对温带多年生作物造成了显著威胁，这些作物依赖冬季低温来同步其休眠与生长周期，以适应季节性温度变化。这一过程受到基因型决定的低温需求（Chilling Requirements, CR）的调控，而CR的减少可能会影响开花时间，进而影响果实产量和植物的适应性。为了应对这一挑战，科学家们正在通过基因组研究寻找关键的基因和分子标记，以支持作物的气候适应性育种。

在这一背景下，研究人员对来自BAGERIM种质资源库的191个桃品种和6个相关Prunus种质进行了基因分型，使用重测序和SNP分析方法，以全面代表全球桃的遗传多样性。研究结果揭示了与开花时间及休眠释放相关的重要基因组区域。这些发现不仅有助于理解桃树如何感知冬季低温和调节开花时间，还为桃的气候适应性育种提供了新的分子工具。

在基因组分析过程中，研究人员首先对植物材料进行了详细的描述，包括不同地理来源的种质材料和它们的生长环境。种质材料被分为野生种、栽培品种以及一些桃杏杂交种。这些材料被种植在两个具有不同气候条件的地点，以研究低温需求和开花时间的差异。此外，研究还涉及了基因表达分析，通过对花芽和叶片的RNA提取和qRT-PCR检测，研究人员评估了关键基因在不同基因型中的表达水平。

基因型和表型数据的分析是本研究的核心。通过GWAS（全基因组关联分析），研究人员发现了五个与开花时间及低温需求显著相关的基因组区域。这些区域分布在不同的染色体骨架上，其中一些区域包含候选基因，这些基因可能在休眠和开花过程中发挥重要作用。例如，在骨架1上发现了一个449碱基对的内含子缺失，该缺失影响了DAM4基因的mRNA剪接和蛋白质合成，从而导致其表达水平显著下降。这种缺失与较低的低温需求和较早的开花时间相关，可能是通过无义介导的mRNA降解机制起作用的。

除了DAM4基因外，其他候选基因如ALFIN-like和LOV-like基因也显示出与低温需求和开花时间相关的表达模式。这些基因在花芽发育过程中表现出与品种和休眠状态相关的表达差异。此外，骨架4上的VTC2-like基因也被发现与较低的低温需求和较早的开花时间有关。该基因编码一种参与抗坏血酸合成的酶，而抗坏血酸作为抗氧化剂，可能在调节细胞内活性氧（ROS）积累方面发挥重要作用。研究还发现，VTC2-like基因的表达在早花品种中更高，这可能与其在花芽发育中的功能相关。

在骨架7上，研究人员还发现了与低温需求相关的两个基因，即AGL18-like和SUVR5-like。AGL18-like基因编码一种与开花转换相关的MADS-box转录因子，而SUVR5-like基因则编码一种参与组蛋白修饰的酶。这些基因的表达模式与休眠状态密切相关，且它们的变异与低温需求相关。这些发现表明，AGL18-like和SUVR5-like可能在调控桃树的休眠和开花过程中起关键作用。

研究中还涉及了群体结构分析，以探索桃种质资源的遗传多样性。通过构建邻接树和使用Structure软件，研究人员发现种质资源主要根据其地理分布被分组。这表明，桃的基因组受到历史驯化、选择和改良过程的影响。同时，高遗传力值支持了GWAS方法在桃育种中的可行性，说明这些基因型和表型之间的关联具有较高的可靠性。

此外，研究中还探讨了不同基因型与表型之间的关联。例如，在VTC2-like基因中，研究人员发现一个与低温需求相关的插入变异，该变异在早花品种中更为常见。通过F1杂交群体的分析，研究人员进一步验证了这一变异与开花时间的关系。同时，他们还发现，DAM4基因的缺失不仅影响其蛋白合成，还可能导致其表达水平下降，从而影响休眠和开花的调控。

这些研究成果为桃的气候适应性育种提供了重要的分子工具。通过识别与低温需求和开花时间相关的基因组区域和候选基因，研究人员能够开发新的分子标记，用于选择适应未来气候条件的桃品种。这些标记不仅有助于提高育种效率，还可能帮助科学家理解桃树如何在不同环境条件下调整其生理过程。

总体而言，本研究通过基因组关联分析和分子标记的开发，揭示了桃树在冬季低温感知和开花时间调控中的关键基因和机制。这些发现为应对全球变暖对桃树生长和生产的影响提供了科学依据，同时也为未来的桃种质资源利用和育种策略提供了新的方向。通过深入分析这些基因的功能和表达模式，研究人员希望进一步优化桃树的适应性，使其能够在不断变化的气候条件下保持高产和优质。