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为解决大麦产量提升受限问题，研究人员开展春大麦产量相关性状 QTLs（数量性状位点）的研究。通过全基因组关联研究（GWAS），共鉴定出 346 个 QTLs，还发现新 QTL 及相关候选基因。这为大麦育种提供依据，助力提高产量。
在全球人口不断增长、耕地日益有限且气候变化挑战加剧的大背景下，粮食需求持续攀升。大麦作为重要的粮食作物，其产量提升至关重要。然而，在大麦育种的道路上，困难重重。一方面，长期的驯化和选育使得优良品种出现遗传瓶颈，遗传多样性减少，进一步提升产量变得愈发艰难。另一方面，大麦的籽粒产量受多种因素影响，是典型的复杂多基因性状，易受环境干扰，传统的育种方法难以突破现有局限 。为了攻克这些难题，来自哈萨克斯坦植物生物学与生物技术研究所分子遗传学实验室的研究人员 Yuliya Genievskaya、Saule Abugalieva 和 Yerlan Turuspekov 展开了深入研究。
他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为大麦产量提升带来了新的希望。研究人员运用了多种关键技术方法：选择来自美国、哈萨克斯坦、欧洲、非洲和中东的 273 份春二棱大麦种质资源，在自然田间环境种植多年获取表型数据；采用改良 CTAB 法提取基因组 DNA，利用 50k Illumina Infinium iSelect SNP 阵列进行基因分型；通过混合线性模型（MLM）等多种方法进行全基因组关联分析（GWAS），还结合转录组数据确定候选基因。
研究结果
- 表型变异：对 3 年田间实验中 7 个产量相关性状（每株有效穗数（NPS）、每穗粒数（NKS）、穗长（SL）、穗密度（SD）、每穗粒重（WKS）、每株粒重（WKP）和千粒重（TKW））的表型数据进行分析。结果显示，所有性状都呈现出广泛的表型多样性，其中 NPS 和 WKP 的变异系数较高，在 20 - 40% 之间，表明这两个性状的变异性较大。同时，除 SD 外，其他产量相关性状与 WKP 大多呈显著正相关。但环境因素对这些性状的影响大于遗传因素，导致 NPS、NKS、WKS、WKP 和 TKW 的遗传力较低（h2<30%） 。
- 群体结构、相关性和连锁不平衡（LD）：通过主成分分析（PCA）和亲属关系矩阵分析，发现实验所用大麦种质资源存在一定的群体结构，但没有明显的遗传分层现象，这有利于全基因组关联分析减少假阳性结果。LD 衰减分析表明，全基因组范围内 LD 衰减较快，平均约为 2.15 Mbp，但不同染色体间存在差异，范围从 1.23 Mbp（5H 染色体）到 10.97 Mbp（6H 染色体） 。
- 标记 - 性状关联（MTAs）和 QTLs 的鉴定：利用 GWAS 分析，共鉴定出 2062 个与研究性状显著相关的 MTAs。进一步整合得到 346 个 QTLs，其中 93 个为稳定 QTLs（在至少两个环境和 / 或最佳线性无偏预测（BLUP）中检测到）。这些 QTLs 中，有两个主效 QTLs 分别影响 SL（Hv_SL_2H.4）和 TKW（Hv_TKW_3H.5） ，还有一些中等效应的 QTLs。此外，还发现了 15 个可能是新的 QTLs，它们所在的基因组区域此前未被报道与大麦产量、开花时间或株高相关 。
- 产量相关 QTLs 中的候选基因：结合基因表达数据，在稳定 QTL 区域筛选出 134 个高表达（转录本每百万（TPM）>500）的候选基因。这些基因功能多样，参与了应激反应、分子运输和代谢过程等。例如，与 NPS 相关的候选基因 HORVU.MOREX.r3.5HG0514790 编码伸长因子 1 - α（EF - 1α），对调节谷物生长、发育和应激反应起重要作用；与 NKS 相关的候选基因 HORVU.MOREX.r3.2HG0212810 编码一种双功能抑制剂 / 植物脂质转移蛋白 / 种子储存螺旋结构域蛋白，与种子储存蛋白形成有关 。
- 大麦籽粒产量的关键 QTLs：评估 8 个主效和中等效应 QTLs 与 WKP 的关联，通过单倍型分析发现 QTL 区域存在 LD 块。根据这些 QTLs 的等位基因状态，确定了 33 种等位基因组合。其中，组合 GAAGACCC 对应的 WKP 均值最高，且等位基因组合的r×R2总和与 WKP 均值呈正相关（相关系数为 0.527，P=0.002） 。
在讨论部分，研究人员指出，本研究中产量相关性状的高表型变异有利于 QTL 的识别，但环境因素对产量性状的强影响导致遗传力较低，不过这也凸显了挖掘关键遗传位点的重要性。新发现的 QTLs 为基因组选择（GS）和标记辅助选择（MAS）提供了潜在靶点。此外，将多个有利 QTLs 的等位基因组合起来，有望为大麦育种提供更有效的策略，显著影响每株粒重，进而提升大麦产量。
总的来说，这项研究成功鉴定出大量与大麦产量相关性状的 QTLs，包括稳定 QTLs、主效和中等效应 QTLs，还发现了新的 QTL 和相关候选基因。研究成果为大麦基因组选择和标记辅助育种提供了重要依据，有助于打破现有产量提升的瓶颈，推动大麦育种工作迈向新台阶，对保障全球粮食安全具有重要意义。
