全基因组关联研究揭示棉花籽粒微量元素浓度的遗传基础及其协同调控机制

推荐：本研究针对棉花籽粒中Mn、Cu、Zn等微量元素浓度遗传机制不明的问题，通过GWAS分析276份陆地棉材料，鉴定出34个显著SNP和22个QTL，发现候选基因Gh_A12G1265可协同调控Cu/Zn浓度，为棉花籽粒营养强化育种提供理论依据。

　　

棉花作为全球重要的天然纤维和油料作物，其籽粒富含锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)等对人体健康至关重要的微量元素。然而全球约35%人口面临"隐性饥饿"（微量元素缺乏），而棉花籽粒作为第二大植物油脂来源，其微量元素强化研究却远落后于水稻、小麦等主粮作物。更关键的是，现有研究多聚焦棉花纤维品质改良，对籽粒微量元素积累的遗传机制知之甚少，这严重制约了棉花籽粒营养价值提升。

为破解这一难题，研究人员对276份陆地棉种质资源展开多环境表型分析，结合CottonSNP63K芯片生成的10,660个高质量SNP标记，首次系统解析了棉花籽粒微量元素的遗传基础。研究发现，Mn、Cu、Zn浓度具有60%以上的高遗传力，且存在显著环境互作效应。有趣的是，Cu浓度与皮棉产量呈正相关，而Zn浓度则与纤维长度、强度等品质性状负相关，暗示不同元素在棉花育种中可能经历了差异化选择。

研究团队采用混合线性模型(MLM)进行全基因组关联分析(GWAS)，在15条染色体上定位到34个显著SNP，可聚类为22个QTL。其中位于At12染色体的SNP位点i14125Gh同时关联Cu/Zn浓度，其导致的Gh_A12G1265基因217bp处Val→Met变异，使GG单倍型材料的Cu浓度显著高于AA型。该基因编码RING/U-box超家族蛋白，可能通过金属离子结合域协同调控元素转运。另一候选基因Gh_D07G0953（跨膜蛋白）的GG单倍型则显著提升Cu积累。此外，在QTL区间内还鉴定到5个重金属ATP酶(HMA)和1个植物蓝蛋白(Phytocyanin)等已知元素转运相关基因。

关键技术方法包括：1) 276份陆地棉种质在3个产区(新疆阿拉尔、河南安阳、湖北黄冈)的两年田间试验；2) ICP-7000等离子体质谱测定籽粒Mn/Cu/Zn浓度；3) 基于CottonSNP63K芯片的基因型分析；4) 混合线性模型GWAS和单倍型分析。

主要研究结果：

1. 微量元素表型变异分析
   Mn、Cu、Zn浓度范围分别为15.16-21.11 mg/kg、11.46-18.33 mg/kg和60.70-91.21 mg/kg，变异系数6.10%-7.84%。三元素呈现显著正相关(r_Mn-Zn=0.351，r_Cu-Zn=0.374)，但相关性受地域显著影响。

2. 元素与纤维性状关联
   Cu与皮棉产量极显著正相关，而Zn与纤维长度(FL)、强度(FS)极显著负相关，表明纤维品质改良可能无意中降低了籽粒Zn含量。

3. GWAS定位结果
   发现22个QTL，包括7个Mn-QTL、8个Cu-QTL和7个Zn-QTL。At12染色体67381926-67781926bp区间的i14125Gh位点可解释Cu/Zn共调控现象。

4. 候选基因验证
   Gh_A12G1265的GG单倍型使Cu浓度提升14.3%，Zn浓度提升5.8%；Gh_D07G0953的GG单倍型使Cu浓度提高12.6%。

这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究，首次绘制了棉花籽粒微量元素积累的遗传图谱，揭示了纤维品质与微量元素积累的权衡关系。发现的共调控位点i14125Gh为分子设计育种提供了新靶点，而Gh_A12G1265和Gh_D07G0953的功能解析将助力培育"高微量元素棉花"新品种。该成果不仅填补了棉花籽粒营养强化的研究空白，更为解决全球"隐性饥饿"问题提供了创新思路——通过非主粮作物实现微量元素补充，这对完善农业营养干预策略具有重要启示意义。