低地柳枝稷杂交群体生物能源性状的QTL定位与分子育种应用

这篇研究通过多环境评价和基因型测序（GBS）技术，在柳枝稷（Panicum virgatum）低地生态型杂交群体中定位了74个与生物能源性状相关的数量性状位点（QTL），包括预测乙醇产量（ETOH）、纤维素（Cell）、半纤维素（Hcell）等关键性状，其中5N染色体上的QTL贡献率最高（PVE 7.4%）。研究揭示了1N、4K、5N和7K等染色体的多效性区域，为标记辅助育种（MAS）优化生物质组成提供了分子基础。

　　

引言

柳枝稷（Panicum virgatum L.）作为北美原生C4多年生禾草，因其在边际土地的高生物量产出和木质纤维素转化潜力，被美国能源部选为模式能源作物。其低地生态型（如Alamo和Kanlow品种）具有更高的生物量，但细胞壁组成（纤维素、木质素等）的遗传调控机制尚未完全解析。本研究通过构建8个杂交群体（30-96个F₁），结合高密度SNP连锁图谱（17,251个标记）和近红外光谱（NIRS）表型分析，系统解析了生物能源性状的遗传架构。

材料与方法

群体与田间设计：

在田纳西州两个环境（ETREC和PREC）采用随机区组设计，评价了Alamo与Kanlow衍生的杂交群体。生物量采样后通过NIRS预测了16个性状，包括乙醇（ETOH）、纤维素（Cell=ADF-ADL）、半纤维素（Hcell=NDF-ADF）等，数据经混合模型和QTL复合区间映射分析。

基因分型与图谱构建：

基于GBS技术生成226,318个SNP位点，过滤后使用Lep-Map3构建总长1939 cM的连锁图谱，平均标记间距0.13 cM。QTL检测采用Haley-Knott回归，LOD阈值通过1000次排列确定。

结果

表型变异：

群体在ETREC和PREC均表现出显著基因型效应（p≤0.05），如12A-259×12K-247的ETOH产量最高（较其他群体高6.4%）。环境效应显著，例如ETREC的ETOH（66.4 mg g^?1）高于PREC（5.6 mg g^?1差异），可能与降水量差异相关。

QTL定位：

共检测到74个QTL（LOD 3.0-6.9），PVE 2.1%-7.4%。关键发现包括：

• 乙醇相关：5N染色体QTL（标记11,309）贡献率最高（7.4%），8N染色体QTL（标记15,563）与HEXE（己糖乙醇）共定位。

• 纤维素/半纤维素：1K染色体QTL（标记2095）调控纤维素合成（PVE 4.3%），5K染色体QTL（标记10,093）影响半纤维素（PVE 5.8%）。

• 多效性区域：4K染色体（21.6 cM）同时调控NSCE（非结构性碳水化合物乙醇）和PSOL（可溶性己糖比例）。

基因注释：

QTL区间内发现与细胞壁合成相关的功能基因，如：

• 葡萄糖QTL关联木葡聚糖内转葡糖基酶（xyloglucan endotransglucosylase）基因。

• 纤维素QTL含果胶酯酶（pectinesterase）和醛脱氢酶（aldehyde dehydrogenase）基因。

  GO分析显示细胞组分相关基因显著富集（231条序列），如细胞器（GO:0043226）和代谢过程（GO:0008152）。

讨论

环境与遗传互作：

G×E效应显著（如2020年高降水提升HEXE 3%），表明生物能源性状受环境调控。染色体7K和8N的QTL簇（如7K-34.6 cM调控FEST和PCA）可作为分子育种热点区域。

育种应用：

标记11,309（5N）和15,563（8N）对ETOH的高贡献率，以及1K-77.6 cM的纤维素QTL，为MAS提供了靶点。与Ali等（2020）研究的QTL位置接近（如4N-ETOH QTL相距2.3 cM），验证了结果的可靠性。

挑战与展望：

木质素（KL）与ETOH的负相关（r=?0.59）提示需平衡细胞壁组分。未来研究可结合转基因（如SAUR基因调控）和传统育种，优化“高纤维素-低木质素”表型。

结论

本研究首次在低地柳枝稷多群体中系统定位了生物能源性状QTL，揭示了5N和8N染色体的关键位点，并鉴定出多效性基因区域。这些发现为分子设计育种提供了理论依据，助力柳枝稷作为可持续生物能源作物的发展。