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研究人员针对马铃薯胞囊线虫（PCN）危害，开展 GWAS 研究，鉴定并验证相关 QTL，为育种提供有力工具。
# 抗马铃薯胞囊线虫基因位点的研究：为马铃薯育种带来新曙光
在全球粮食作物的大舞台上，马铃薯（Solanum tuberosum L.）可是一位 “重量级选手”，它是世界第四大重要粮食作物，年产量高达 1700 万吨 ，在保障全球粮食安全和促进地区经济稳定方面发挥着关键作用。不仅如此，马铃薯丰富的营养价值，也让它成为人们餐桌上的宠儿，为人类的饮食需求提供了重要支持。
然而，这位 “粮食英雄” 却面临着一个强大的敌人 —— 马铃薯胞囊线虫（Potato Cyst Nematodes，PCN），其中包括 Globodera rostochiensis 和 Globodera pallida，它们堪称马铃薯种植的 “头号杀手”。这些可恶的线虫能悄无声息地给马铃薯带来巨大灾难，严重时甚至会导致高达 90% 的作物减产。而且，它们的 “生存技能” 极强，以胞囊的形式在土壤中蛰伏，一待就是二十年甚至更久，时刻威胁着马铃薯的生长。
为了应对 PCN 的威胁，人们尝试了各种方法，像种子认证、轮作、化学防治以及利用植物自身抗性等。但化学防治这一方法逐渐陷入困境，由于杀线虫剂会对土壤微生物群落造成破坏，还可能促使线虫产生抗药性，许多杀线虫剂已被市场淘汰，开发可持续的防治手段迫在眉睫。利用植物抗性培育抗性品种成为了研究的重点方向。虽然野生马铃薯物种中蕴含着丰富的遗传多样性，也鉴定出了一些与抗 PCN 相关的基因和数量性状位点（Quantitative Trait Loci，QTL），但针对 Globodera pallida 的抗性遗传机制较为复杂，已有的一些抗性基因在实际应用中遇到了问题，比如一些商业品种中来自 S. vernei 的主要抗性 QTL GpaV，因长期使用，部分线虫种群已经进化出了克服它的能力，出现了毒性种群。此外，还有一些 QTL 由于与其他不良性状的等位基因连锁，或者缺乏有效的分子标记，在育种项目中难以发挥作用。
在这样的背景下，来自法国多个研究机构的研究人员（J. Leuenberger、F. Esnault、P. L. Lebas 等）决心攻克这一难题，开展了一项关于马铃薯抗 Globodera pallida 的研究。他们的研究成果发表在《Theoretical and Applied Genetics》杂志上，为马铃薯抗性育种带来了新的希望。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：
- 基因分型技术：使用基因分型测序（Genotyping by Sequencing，GBS）、SolCAP DNA 阵列和 PCR 标记这三种技术，对 247 个马铃薯 MRQ（Multi-Resistance and Quality）预育种克隆进行基因分型，获得了大量高质量的标记数据。
- 全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS）：运用多基因座混合模型（Multi-Locus Mixed Model，MLMM）对 MRQ 面板进行 GWAS 分析，研究与抗 Globodera pallida 相关的遗传位点。
- 标记转换与验证：将与高抗性水平相关的 SNP 标记转换为 PACE（PCR Allele Competitive Extension）标记，并在验证面板中进行验证，评估其与抗 Globodera pallida 的关联。
下面来看看具体的研究结果：
- MRQ 面板的遗传结构：通过主成分分析（Principal Component Analyses，PCA）和亲属关系分析发现，MRQ 面板的遗传结构并不清晰，各育种组之间存在重叠，这表明该面板具有丰富的遗传多样性，为研究提供了良好的基础。
- 抗 Globodera pallida 的表型数据：在对 247 个先进育种克隆进行抗 Globodera pallida pathotype Pa2/3 的表型评估时，发现部分基因型存在生长异常，排除 4 个基因型后，对剩余 243 个克隆的分析显示，囊肿数量数据呈现零膨胀分布，且广义遗传力在不同变量中有差异，CP（Cyst Presence）的广义遗传力为 0.70，CN1（Cyst Number 1）的广义遗传力为 0.48。
- GWAS 分析结果：对 CP 和 CN1 两个表型性状进行 GWAS 分析，在 CP 中检测到 5 个显著标记，位于染色体 III、IV、V 和 IX 上；在 CN1 中检测到 2 个显著标记，位于染色体 III 和 XI 上。这些标记的发现为后续研究提供了重要线索。
- GWAS 峰值处的标记集：在染色体 V、IX 和 XI 上的显著 GWAS 峰值区域，确定了标记集，并命名了相应的 QTL，如 GpaVa_MRQ、GpaVb_MRQ、GpaIX_MRQ 和 GpaXI_MRQ 等。每个 QTL 都有其独特的特点，例如 GpaVa_MRQ 位于染色体 V 的北部臂，由 4 个标记组成，解释了 CP 表型变异的 54%，且与标记 HC 存在一定关联；GpaIX_MRQ 位于染色体 IX，由 5 个标记组成，解释了 CP 表型变异的 18% 等。
- PACE 标记的开发与验证：对 13 个标记进行 PACE 技术转换，其中 11 个成功转换。在验证面板中，这些标记的分配率较高，且重组基因型比例较低。研究发现，Validation panel 中基因型的抗性水平主要取决于主要效应 QTL GpaVa_MRQ / GpaV_SPUD1636 上 “Alt” 单倍型的存在，同时 GpaIX_MRQ 的 “Alt” 单倍型也与较高的抗性水平相关。
在研究结论与讨论部分，研究人员通过 GWAS 分析，在马铃薯预育种基因型中精准鉴定出了与抗 Globodera pallida 相关的遗传位点，不仅对已知的 QTL 有了更深入的了解，还发现了一些新的基因组区域。例如，确定了 GpaVa_MRQ 可能对应于已知的 GpaVvrn位点，GpaIX_MRQ 可能是 Gpa6 位点等。同时，研究还发现了一些 QTL 之间的相互作用，如 GpaVb_MRQ 的存在似乎会减轻 GpaVa_MRQ 的效应，而 GpaVa_MRQ 和 GpaIX_MRQ 的替代单倍型组合则与完全抗性相关。
此外，研究人员开发的标记集和 PACE 标记为标记辅助选择（Marker-Assisted Selection，MAS）提供了强大的工具。这些标记集能够有效针对有利单倍型，减少重组导致的标记 - QTL 关联丢失风险，并且在第二个面板中验证了其可转移性和可靠性。这一成果使得在马铃薯育种项目中，可以更高效地选择具有抗 Globodera pallida 特性的基因型，还能够将这些 QTL 与其他物种的 QTL 进行叠加，进一步提高马铃薯的抗性水平和持久性。
总的来说，这项研究成果意义重大，为马铃薯抗 Globodera pallida 育种提供了宝贵的见解和实用的工具，有助于推动可持续农业发展，保障全球粮食安全。当然，研究也存在一些局限性，比如可能还有一些微效抗性位点未被检测到，对一些稀有等位基因的检测能力有限等。未来的研究可以在更广泛的遗传群体和不同环境中进一步评估这些标记，不断完善马铃薯抗性育种体系，让马铃薯在面对胞囊线虫威胁时能够 “坚强不屈”，持续为人类的粮食供应贡献力量。
