菜豆除草剂交叉耐受性与农艺性状的多性状全基因组关联研究

《Crop Science》：Linking herbicide cross-tolerance to agronomic and seed vigor traits: A multi-trait genome-wide association study in snap bean (Phaseolus vulgaris L.)

这篇综述通过多性状全基因组关联研究（GWAS）揭示了 snap bean（菜豆）中除草剂交叉耐受性与种子活力、开花期 vigor 等农艺性状的遗传联系。研究鉴定了179个标记-性状关联（MTA），其中28个区域表现出多效性，并发现种子重量与活力性状呈正相关。研究强调了中美洲（Middle American）基因库中有利等位基因对非生物胁迫耐受性的贡献，为培育具有增强抗逆性和农艺性能的菜豆品种提供了宝贵的遗传资源。

　　

引言

在菜豆（Phaseolus vulgaris L.）生产中，除草剂对于杂草控制至关重要，但需要作物具备耐受性以避免药害。本研究旨在将基因组位点与农艺性状联系起来，探索除草剂交叉耐受性的程度，并鉴定影响种子活力和除草剂耐受性性状的位点。研究评估了一个群体在七项农艺性状和八种除草剂耐受性两项指标上的表现。全基因组关联研究（GWASs）鉴定了标记-性状关联（MTA）和候选基因。遗传力分析证实了农艺性状受遗传控制。种子重量与衡量种子和开花期活力的性状呈正相关。

材料与方法

研究利用了包含377个品种的Snap bean Association Panel (SnAP)，这些品系来自北美常见的商业和地方品种。在6年期间进行的8次试验提供了对农艺特性和除草剂耐受性反应的稳健测量。应用单变量和多变量GWAS方法来探索个体性状的遗传控制并识别相关性状的共同遗传机制。

田间试验在伊利诺伊大学厄巴纳校区附近的蔬菜作物农场进行。实验设计为裂区设计，包含三个区块（重复）。每个基因型种植在单行中。除草剂在出苗前施用。评估了七种除草剂制剂，代表三种作用位点。收集了农艺、植物架构和活力性状的多项数据。

结果

表型变异、相关性和遗传力

成功鉴定了377个基因型的农艺和形态性状。结果显示大多数性状存在广泛变异。大多数性状的遗传力估计值为中等至较高。种子重量与大多数活力性状有深远影响。开花期活力（at-flowering vigor）与生物量每株（BP）和植物密度（PD）在对照和除草剂胁迫条件下均呈正相关。

单性状GWAS分析结果

种子重量：在各种GWAS方法中，在9条染色体上鉴定出18个QTN。Chr 7上5.60和5.69 Mbp位置的QTN靠近编码phaseolin β型种子储存蛋白的基因簇。

种子活力成分：

植物密度（PD）：GWAS为PD鉴定出15个显著相关的QTN。Chr 1位置44.48 Mbp靠近编码转录因子PvTFL1的模型基因。

生物量每株（BP）：BP鉴定出的QTN取决于是否包含不确定型品种和种子重量协变量。共鉴定出35个QTN，位于21个基因组位置。

开花期活力：像BP结果一样，开花期活力QTN取决于是否包含不确定型品种和种子重量协变量。共鉴定出53个与开花期活力相关的QTN。

开花天数（DTF）：在分析中，共鉴定出37个QTN。Chr 4位置2,121,679 bp的SNP位于Phvul.004G017600中，该基因是拟南芥MBD9的同源物。

植物架构性状：

生长习性（Growth habit）：在Chr 1位置43.75–47.44 Mbp鉴定出多个相关标记。

丛生形态（Bush form）：鉴定出五个基因组位置的五个QTN。

除草剂交叉耐受性机制存在于SnAP中

基因型在大多数除草剂下的PD值彼此呈正相关，与除草剂作用模式无关。基因型在所有除草剂下的BP值彼此呈正相关，并与对照小区呈正相关。这表明控制条件下具有旺盛发芽和幼苗生长的品种能够承受多种作用模式除草剂引起的非生物胁迫。

多变量分析鉴定出影响多种作用模式除草剂施加的非生物胁迫下种子活力的基因组位置

通过主成分（PC）向量的混合线性模型（MLM）和MSTEP进行的多变量分析鉴定出对照条件下和多种除草剂胁迫下PD和BP的基因组关联。几个区域在单独的磺胺草唑和氟胺草唑分析中已被鉴定。包含对照处理和除草剂处理QTN的区域被认为是 general stress tolerance 的候选区域。选择了六个这样的区域进行单倍型效应分析。

讨论

SnAP种质在种子活力、架构相关性状、开花相关性状和除草剂耐受性方面表现出广泛的变异。性状之间中等到高的遗传力以及正相关性表明共同机制影响这些重要性状。GWAS检测到每个性状的多个基因组区域。在Chr 1靠近PvTFL1位置的区域是控制种子活力、开花期活力和除草剂交叉耐受性性状的基因组热点。有利等位基因在中美洲（MA）品种中更为普遍，MA基因库通常被认为比安第斯基因库更能抵抗非生物胁迫。除草剂耐受性与一般非生物胁迫恢复力之间的联系为植物育种者提供了一个宝贵的机会，可以开发能够在杂草管理和气候变化的双重压力下茁壮成长的菜豆品种。