北方统一大豆试验中的基因组分析与预测模型：揭示精英种质资源遗传结构及育种应用潜力

这篇综述系统分析了美国农业部协调的北方统一大豆试验(NUST)28年数据，通过BARCSoySNP6K芯片对2544份大豆品系进行基因分型，揭示了成熟期分组(MG)是群体分化的主要驱动力，特别是在10号染色体E2基因附近检测到显著遗传分化。研究证实公共育种项目间存在广泛的种质共享现象，通过全基因组关联分析(GWAS)鉴定出与产量、株高等重要性状相关的数量性状位点(QTL)，并证明历史数据在基因组预测模型训练中展现出中高预测能力(r=0.37-0.91)，为大豆基因组辅助育种提供了宝贵资源。

　　

引言

创建优良大豆新品种需要通过多环境试验(MET)评估育种系。美国农业部协调的北方统一大豆试验(NUST)作为区域性测试网络，28年间在199个地点1652个环境中评估了00-IV成熟期的精英种质。本研究整合表型与基因型数据，利用BARCSoySNP6K芯片分析2544份材料的遗传结构，为公共大豆育种提供重要资源。

材料与方法

表型数据分析

NUST数据涵盖1993-2020年，按常规/转基因材料、成熟期和测试阶段(PT/UT)分类。76.8%品系仅测试1年，通过共同对照连接不同年份数据。采用线性混合模型获得品系效应最佳线性无偏估计(BLUE)，控制成熟期协变量分析其他性状。

基因分型与质量控制

使用CTAB法提取DNA，经BARCSoySNP6K芯片检测后，过滤call率<80%和次要等位基因频率(MAF)<0.02的标记，采用LD-KNNi方法填补缺失基因型，最终获得5158个高质量SNP。

群体遗传分析

通过主成分分析(PCA)和TreeMix分析群体结构，计算固定指数(F_ST)和核苷酸差异(AVD)评估群体分化。采用rrBLUP软件进行全基因组关联分析(GWAS)和基因组预测，使用10折交叉验证评估模型效果。

结果

遗传结构与多样性

PCA显示成熟期分组(MG)是主要分化因素，早期(MG00-0)与晚期(MGIII-IV)品系在10号染色体E2基因附近呈现显著分化(F_ST峰值0.9)。公共育种项目间遗传分化微弱(F_ST=0.02-0.12)，而商业品种(ExPVP)与公共种质分化显著(F_ST=0.25)。

选择信号分析

早期MG在6号染色体E1基因区域显示更高基因多样性(D=0.32)，而晚期MG在1号染色体长臂和8号染色体短臂多样性更丰富。TreeMix分析证实公共种质聚为一支，与亚洲地方品种和商业种质明显分开。

性状关联分析

GWAS检测到27个显著标记-性状关联(MTA)，包括：

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  10号染色体E2基因附近控制成熟期和籽粒大小

• •

  13号染色体S位点附近调控株高和倒伏性

• •

  19号染色体E3基因区域影响株高和成熟期

  其中13号染色体株高QTL与已知控制节间长度的S基因座重合。

基因组预测效果

历史数据训练的模型预测能力优异：

• •

  高预测力性状：成熟期(r=0.91)、蛋白质含量(r=0.81)、产量(r=0.78)

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  中等预测力性状：萎黄病(r=0.37)、裂荚性(r=0.41)

  留一测验验证显示对单年测验的产量预测准确度达0.46-0.95。

讨论

种质共享的价值

公共项目间低遗传分化反映NUST促进的种质交流，这种协作机制扩大了各项目的有效群体规模。与商业种质的高分化(F_ST=0.25)凸显公共育种体系的独特性。

育种应用前景

鉴定出的多样性缺失区域(如6号染色体E1区域)为针对性引入变异提供靶点。虽然E2是早晚期材料分化的主效基因，但多个非成熟期相关的高F_ST区域表明可通过跨MG杂交拓宽遗传基础。

数据资源价值

尽管使用6K芯片，其检测选择信号的分辨率与50K芯片相当。建立的预测模型精度优于多数文献报道，证明历史数据对提升基因组选择效率具有重要价值。

结论

NUST数据集成功揭示了美国北部公共大豆种质的遗传架构，鉴定出多个重要性状QTL，并证明其作为训练群体可产生高精度预测模型。该资源将持续支持大豆基因组辅助育种研究。