基于GWAS的苜蓿叶片大小相关基因挖掘：为分子育种提供新靶点

本研究聚焦苜蓿叶片大小这一关键性状，通过全基因组关联分析（GWAS）挖掘调控叶片大小的候选基因，为苜蓿分子育种提供了重要分子标记，助力提升苜蓿产量和品质。

　　苜蓿作为全球广泛种植的多年生豆科牧草，因其高生物量和营养价值被誉为“牧草之王”。叶片大小对苜蓿的光合作用效率、干草产量和品质有着重要影响。然而，传统育种方法在提升苜蓿叶片大小方面进展缓慢，且遗传改良潜力有限。为突破这一瓶颈，中国农业科学院的研究人员开展了基于全基因组关联分析（GWAS）的苜蓿叶片大小相关基因挖掘研究，旨在通过分子手段揭示叶片大小的遗传基础，为苜蓿分子育种提供新靶点。研究结果表明，通过GWAS分析176份苜蓿种质资源的叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶片面积（LA）和叶片周长（LP）四个叶片大小相关性状，共鉴定出39个显著关联的单核苷酸多态性位点（SNPs），这些SNPs分布在8条染色体上，其中9个SNPs与多个性状相关。进一步的单倍型分析发现，材料中优良等位基因的数量与叶片面积呈正相关。此外，研究人员还鉴定出5个与叶片大小或发育相关的候选基因，包括多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase）、富含亮氨酸重复序列受体类激酶（LRR receptor-like kinase）等。该研究不仅为苜蓿叶片大小的分子标记辅助选择提供了新的分子标记，还为后续的功能验证和遗传改良奠定了基础，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。在技术方法上，研究人员首先从不同地区收集了176份苜蓿种质资源，并在中国农业科学院国际农业科技园区进行田间试验。通过对叶片性状的表型分析，利用Image J软件测量叶片长度、宽度、面积和周长。随后，提取叶片DNA，基于“中苜4号”参考基因组进行全基因组重测序，通过SAMtools和GATK Haplotype Caller进行SNP calling，最终获得高质量SNPs用于GWAS分析。在GWAS分析中，研究人员采用BLINK模型，以LOD值≥5作为显著性阈值，鉴定出与叶片大小显著相关的SNPs。通过单倍型分析和候选基因分析，进一步挖掘了与叶片大小相关的优良等位基因和候选基因。研究结果表明，苜蓿叶片大小的遗传变异受到多个基因位点的调控。通过GWAS分析，研究人员在8条染色体上鉴定出39个与叶片大小显著相关的SNPs，其中9个SNPs与多个叶片性状相关，表明这些SNPs在调控叶片大小方面可能具有多效性。特别是在第3染色体的88.8 Mb区域，SNPs显著富集，暗示该区域可能包含调控叶片大小的关键基因。单倍型分析进一步证实，优良等位基因的数量与叶片面积呈正相关，这为基于单倍型的分子育种提供了理论依据。通过对显著SNPs上下游20kb范围内的基因进行注释，研究人员筛选出12个与植物生长发育相关的基因，其中5个基因与叶片大小或发育直接相关。这些基因包括多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，Msa.H.0080710），该基因在细胞扩张中发挥作用；富含亮氨酸重复序列受体类激酶（LRR receptor-like kinase，Msa.H.0244970和Msa.H.0267380），这类基因在植物形态建成、病害抗性和逆境响应中起关键作用；PsbD（Msa.H.0361820），在小麦叶片发育中发挥重要作用；以及RING型E3泛素连接酶（RING-type E3 ubiquitin ligase，Msa.H.0476020），该基因通过降解TIE1转录因子抑制子来调控叶片发育。这些候选基因的发现为深入研究苜蓿叶片大小的分子机制提供了重要线索。在讨论部分，研究人员指出，尽管本研究鉴定的SNPs与叶片大小相关，但与以往的GWAS和QTL研究结果并不完全一致，这可能与不同研究中使用的种质资源和遗传背景差异有关。此外，研究还强调了GWAS在挖掘复杂性状遗传基础方面的强大潜力，尤其是在苜蓿这一重要牧草作物中。通过鉴定与叶片大小相关的分子标记和候选基因，本研究为苜蓿分子育种提供了新的工具和靶点，有助于优化叶片性状，提升苜蓿的产量和品质。未来的研究可以进一步通过基因编辑等技术对这些候选基因进行功能验证，以揭示其在苜蓿生长发育中的具体作用机制，并将其应用于苜蓿的遗传改良实践中。