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为控制玉米炭腐病，研究人员对 120 种玉米基因型开展 GWAS，鉴定出 7 个 SNP 标记，助力育种。
玉米炭腐病防治难题催生新研究
玉米，作为全球重要的粮食作物，在人类和动物的饮食中占据着举足轻重的地位。它富含维生素 A、B、C，碳水化合物、蛋白质以及植物化学物质，为人们提供了丰富的营养。2022 年，玉米在全球的种植面积高达 4300 万公顷，年产量约 11.6 亿吨，是当之无愧的第二大谷类作物。土耳其，作为世界重要的玉米生产国之一，每年都凭借其广袤的种植面积收获大量玉米。
然而，玉米的生长并非一帆风顺。由真菌病原体菜豆壳球孢（Macrophomina phaseolina，简称 Mp）引起的炭腐病，如同一个隐藏在暗处的杀手，严重威胁着玉米的产量和质量。Mp 的 “作案范围” 极广，能感染上百种不同的植物，在玉米身上，它会引发根部癌症，造成植株死亡，还会降低玉米产品的品质。据研究，Mp 导致的高病害严重程度能使植物的生物物理和生化特性下降 30 - 70%，每年给玉米种植带来的损失高达 25 - 33% 甚至更多。
面对 Mp 的肆虐，现有的防治手段却显得有些力不从心。化学防治不仅会导致病原体产生抗药性，还会对环境造成污染；物理防治成本高昂，耗费大量人力；生物防治受环境条件制约，效果不稳定；植物防御刺激剂的效果因基因型和环境而异，有时还会对植物的其他性状产生负面影响。在这样的困境下，培育抗 Mp 的玉米品种成为了控制病害的关键，而全基因组关联研究（Genome - wide association study，简称 GWAS）技术的出现，为这一难题的解决带来了希望。
多机构合作开展研究
为了攻克玉米抗炭腐病的难题，来自土耳其伊兹密埃杰大学（Ege University）生物工程系、阿达纳生物防治研究所植物病理学系、加济安泰普大学（Gaziantep University）生物学系的研究人员组成了科研团队，开展了一项针对玉米抗 Mp 的全基因组关联研究。他们的研究成果发表在了《Scientific Reports》杂志上。
研究人员采用了多种先进的技术方法。首先，从土耳其 Polen Seed Co. 获取了 120 种不同基因型的玉米作为实验材料，通过液氮冷冻新鲜叶片并研磨成粉，利用 Qiagene DNA 分离试剂盒提取 DNA。接着，运用 DArT - seq 技术（Diversity Array Technology 测序技术）对 DNA 进行分析，检测出大量单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，简称 SNP）标记。在数据分析阶段，研究人员利用 STRUCTURE 软件进行种群结构分析，确定了玉米种群的分组情况；借助 TASSEL 软件，采用混合线性模型（MLM (Q+K)模型）进行全基因组关联分析，同时运用错误发现率（False Discovery Rate，简称 FDR）校正来减少假阳性结果。
研究结果解读
- 表型变异分析：研究人员在可控条件下对 120 种玉米基因型进行 Mp 抗性评估，按照 0 - 5 分的标准对病害症状进行评分。结果显示，平均病害评分为 4.2，其中 12 种基因型表现为抗性，43 种为中等抗性 / 耐受性，48 种为中等敏感性 / 敏感性，17 种为高敏感性。通过对病害反应分布的检查，发现实验所用玉米种群呈现出适合 GWAS 研究的正态分布。方差分析表明，不同玉米基因型对 Mp 病害严重程度的影响存在显著差异，且广义遗传力得分为 0.80，这意味着抗病性状在很大程度上是由遗传因素决定的。
- 种群结构分析：通过 DArT 分析获得了 79166 个 SNP，经过严格筛选，最终保留了 37470 个高质量 SNP。这些 SNP 在染色体上均匀分布，平均每条染色体有 2500 个 SNP，其中 1 号染色体上的 SNP 数量最多，有 4129 个，10 号染色体上最少，为 1639 个。多态性信息（PIC）含量值平均为 0.31，表明种群内存在中等水平的遗传多样性。利用 STRUCTURE 软件进行分析，发现当K=2时，ΔK值达到峰值，这意味着玉米种群可分为两个亚群。
- 关联分析与候选基因：利用 TASSEL 软件中的 MLM (Q+K)模型进行 GWAS 分析，研究人员在四条不同染色体上检测到七个超过 FDR 校正的 SNP 标记，这些标记与玉米对 Mp 的抗性显著相关。其中，位于 2 号染色体上的 SNP6999 与抗性的关联最为紧密，其?log10P值高达 3.70 。通过对 SNP 位置上下游 100,000 个碱基对进行筛选，共鉴定出 33 个候选基因，这些基因参与了细胞壁合成、植物激素信号传导和转录因子激活等多种植物防御机制相关的活动，在抵御真菌病原体方面发挥着重要作用。
研究结论与意义
这项研究通过 GWAS 分析，首次在玉米抗 Mp 的关联研究中利用 DArT - seq 技术生成 SNP 标记，成功鉴定出七个与玉米抗 Mp 显著相关的 SNP 标记，并在 2、3、7 和 8 号染色体上发现了多个候选基因区域，它们以不同方式为玉米的抗病性做出贡献。
这些研究成果意义重大。在实际应用中，与 Mp 抗性相关的 SNP 标记可用于标记辅助选择（Marker - assisted selection，简称 MAS），包括 MAS 回交和数量性状的 MAS，帮助育种者在未来的玉米育种计划中更高效地筛选出抗 Mp 病害的品系。同时，研究中发现的 12 种对病害具有抗性的玉米基因型，有望成为育种计划中的优良供体亲本，为培育更具抗性的玉米品种提供了宝贵资源。从理论层面来看，该研究为深入理解玉米抗 Mp 的遗传机制提供了重要依据，丰富了植物病理学和遗传学领域的知识，为后续进一步研究植物与病原体之间的相互作用奠定了坚实基础，推动了可持续农业发展中植物保护策略的不断完善。
