基于全基因组关联分析揭示小扁豆苗期耐旱性的遗传位点与候选基因

研究人员针对小扁豆(Lens culinaris)在干旱胁迫下产量受限的问题，通过全基因组关联分析(GWAS)对243份种质资源进行苗期耐旱性评价，鉴定出65个(对照)和71个(干旱)非重叠SNP标记，发现调控发芽率(GER_P)、根长(RL)和幼苗活力(VI-II)的关键候选基因(如半胱氨酸内肽酶和L-抗坏血酸氧化酶基因)，为耐旱品种选育提供分子靶点。该研究首次系统解析小扁豆耐旱遗传机制，成果发表于《Current Plant Biology》。

　　

气候变化导致的干旱胁迫严重威胁全球粮食安全，作为重要冷季豆类作物的小扁豆，在亚洲和地中海地区常遭遇间歇性或终末期干旱，导致产量损失高达54%。尤其苗期干旱会显著抑制种子萌发和根系发育，但对其遗传机制的系统研究仍属空白。为破解这一难题，中国农业科学院植物生理研究所的研究团队开展了一项开创性研究，通过整合多组学技术和田间表型分析，首次揭示了小扁豆苗期耐旱性的分子调控网络，相关成果发表在植物学领域权威期刊《Current Plant Biology》。

研究团队采用基因组重测序(GBS)技术对243份小扁豆种质进行基因分型，结合α格子设计开展田间对照与干旱处理(30%田间持水量)的双重复试验。运用Win-RHIZO根系分析系统测定18项形态生理指标，通过多模型GWAS分析(FASTmrMLM等5种算法)筛选显著关联位点，并利用Lens culinaris v1参考基因组进行候选基因预测。

3.1 表型变异分析

干旱胁迫下除冠层温度(CT)上升12.75%外，其余性状均显著下降，其中根体积(RV)和幼苗活力指数II(VI-II)降幅超50%。通过胁迫敏感指数(SSI)鉴定出IC560051(SSI=0.34)等5个耐旱基因型，其根系构型(总根长TRL、根表面积RSA)和光合指标(NDVI)显著优于敏感品种。

3.2 性状关联网络

主成分分析显示干旱条件下47.3%变异由TRL、RLD等根系性状驱动。VI-II与NDVI(r=0.57)、分枝数(NOB)(r=0.54)呈极显著正相关(p<0.001)，证实幼苗活力是综合评价耐旱性的核心指标。

3.4 标记-性状关联

在1.07 Mb连锁不平衡范围内，发现7号染色体246 Mbp位点(Chr7:246065957)与发芽率关联，其邻近基因Lcu.2RBY.7g034900编码豆类蛋白酶，通过促进贮藏蛋白水解调控萌发。3号染色体293 Mbp位点(Chr3:293686440)的L-抗坏血酸氧化酶基因则通过维持氧化还原平衡和调控生长素信号促进根伸长。

3.6 通路解析

耐旱基因型呈现三条协同机制：1)通过legumain蛋白酶激活种子储备动员；2)依赖L-抗坏血酸氧化酶维持细胞氧化稳态；3)利用生长素响应蛋白(如4号染色体476 Mbp的Lcu.2RBY.4g080320)调控下胚轴伸长。这些发现首次构建了小扁豆"萌发-根系发育-光合维持"的耐旱调控框架。

该研究不仅为分子标记辅助选择提供了Chr7:246065957等关键SNP位点，更创新性地提出将幼苗活力指数II(VI-II)作为早期筛选指标。相较于传统QTL定位，GWAS策略成功捕获了野生种质中稀有等位基因，如调控根分叉的O-岩藻糖基转移酶基因(Chr3:368618541)。这些发现为培育适应气候变化的"节水型"小扁豆品种奠定了理论基础，对保障干旱地区蛋白质供给具有重要战略意义。未来研究可进一步通过基因编辑验证L-抗坏血酸氧化酶在根系可塑性中的调控作用。