多效位点关联分析揭示印度圆粒小麦穗发芽抗性遗传基础及其优异单倍型挖掘

《Scientific Reports》：Dissecting the genetic architecture of pre-harvest sprouting tolerance in Indian dwarf wheat (Triticum sphaerococcum) by multi-locus association analysis

本研究针对小麦穗发芽(PHS)导致的产量与品质损失问题，通过全基因组关联分析(GWAS)在116份印度圆粒小麦(Triticum sphaerococcum)种质中鉴定到12个与穗发芽抗性(PHST)相关的标记-性状关联(MTAs)，发现5个稳定位点分布于1B、2A和6B染色体。研究首次在该物种中鉴定到含LRR、NAC、F-box等结构域的候选基因，并筛选出H005、H006、H007三个优势单倍型，为小麦抗穗发芽育种提供了新基因资源。

　　

在潮湿的收获季节，小麦常面临一个严峻挑战——穗发芽(PHS)。当成熟籽粒在穗上提前萌发，不仅导致产量损失高达20-40%，更会引发籽粒品质劣变，α-淀粉酶活性升高使面粉加工品质显著下降。全球因穗发芽造成的年经济损失超过10亿美元，在印度和中国等主产区，这一问题尤为突出。面对气候变化带来的降雨不确定性，培育抗穗发芽品种已成为小麦育种的重要目标。

传统上面包小麦(Triticum aestivum)的遗传基础狭窄，而起源于印度次大陆的古老六倍体小麦——印度圆粒小麦(Triticum sphaerococcum)因其独特的半球形籽粒、高蛋白含量和抗逆性，成为挖掘新抗性基因的宝贵资源。尽管该物种在绿色革命后种植面积急剧减少，但其蕴含的遗传多样性为现代小麦改良提供了独特机遇。

研究人员在《Scientific Reports》上发表的研究中，首次对116份印度圆粒小麦种质进行了系统性穗发芽抗性评价。通过在三个环境下的表型鉴定，研究团队发现基因型效应极显著(p<2e-16)，而环境效应不显著，表明穗发芽抗性主要受遗传因素控制。利用35K SNP芯片进行基因分型，最终筛选15,308个高质量SNP进行全基因组关联分析。

关键技术方法包括：在三个地点对116份种质进行穗发芽抗性表型鉴定；使用35K Axiom小麦育种芯片进行基因分型；采用六种GWAS模型(GLMCMLM/MLMM/MLM/FarmCPU/BLINK)进行关联分析；基于中国春参考基因组进行候选基因预测；利用geneHapR软件进行单倍型分析。

统计分析和群体结构

方差分析表明基因型对穗发芽抗性有极显著影响，而环境效应不显著。最佳线性无偏预测(BLUP)值用于综合三个环境的表型数据，聚类分析将种质分为四个表型组，其中第1组具有最低BLUP值，表现为高抗穗发芽。

SNP分布和连锁不平衡分析

15,308个SNP在A、B、D三个亚基因组分布不均，B亚基因组最多(5925个)，A亚基因组次之(4802个)，D亚基因组最少(4581个)。连锁不平衡(LD)分析显示D亚基因组LD衰减最快(6.81Mb)，其次为B亚基因组(11.24Mb)和A亚基因组(12.06Mb)。

全基因组关联分析

通过单点和多位点模型共鉴定到12个与穗发芽抗性相关的显著MTAs(p<0.001)，分布在1A、1B、1D、2A、3A、3D、5A和6B染色体上。其中五个MTAs(AX-94415302、AX-94919611、AX-94403953、AX-95220897和AX-94756068)在所有环境和模型中均稳定出现，位于1B、2A和6B染色体。特别值得注意的是，AX-94919611(1B)在所有六种分析方法中均被检测到，是一个主效稳定位点。

优异等位基因聚合效应

线性回归分析显示，携带更多优异等位基因的基因型表现出更强的穗发芽抗性。尽管回归系数(R2)相对较低(0.173-0.201)，但达到极显著水平(p<0.0001)，表明穗发芽抗性由多基因控制，存在复杂的遗传架构。

候选基因挖掘和单倍型分析

在显著MTAs两侧各1Mb区域内共鉴定到176个候选基因，其中47个与种子休眠和萌发直接相关。这些基因编码的蛋白包含15种重要结构域，包括富含亮氨酸重复(LRR)、NAC结构域、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、F-box结构域、WRKY结构域等，多数参与脱落酸(ABA)和赤霉酸(GA)信号通路。

单倍型分析显示，10个MTAs区域的单倍型多样性差异显著，AX-94523390区域多样性最高(32个单倍型)，而AX-94823205区域最低(仅7个单倍型)。单倍型-表型关联分析鉴定出8个单倍型，其中H005(种质TS28)、H006(TS64)和H007(TS81)与穗发芽抗性显著相关，代表优异的等位基因组合。

研究首次在印度圆粒小麦中系统解析了穗发芽抗性的遗传基础，发现B和A基因组在调控这一性状中起主要作用。与普通面包小麦不同，本研究未在4A染色体上检测到显著位点，表明印度圆粒小麦可能具有独特的抗性机制。候选基因分析揭示了ABA/GA信号通路、F-box蛋白、LRR结构域基因和Myb10转录因子在调控种子休眠中的核心作用。

研究发现F-box结构域基因在穗发芽抗性调控中尤为丰富，这些基因可能通过靶向ABA代谢来抑制萌发。同时，LRR结构域基因可能通过影响ABA信号转导来延缓发芽。优势单倍型H005、H006和H007的鉴定为标记辅助选择提供了可靠靶标，有望通过单倍型育种将优异等位基因导入现代小麦品种。

这项研究不仅为理解穗发芽抗性的分子机制提供了新见解，更重要的是展示了利用古老小麦种质拓宽现代作物遗传基础的价值。印度圆粒小麦中鉴定的新等位基因为应对气候变化下的穗发芽挑战提供了宝贵遗传资源，对保障小麦生产稳定性和粮食安全具有重要意义。未来通过功能验证和育种应用，这些发现将推动抗穗发芽小麦品种的培育，为可持续农业发展做出贡献。