大豆茎秆强度主效QTLqSS17-1的鉴定及其候选基因GmWOX4-like的功能解析

本研究针对大豆倒伏严重影响产量与品质的产业问题，通过整合QTL定位与GWAS分析，鉴定到调控茎秆强度的主效QTLqSS17-1，并发现转录因子基因GmWOX4-like通过调控形成层分化影响茎秆解剖结构。启动子自然变异与茎秆强度显著相关，为抗倒伏分子育种提供了关键靶点与标记辅助选择策略。

　　

大豆作为全球重要的粮油作物，其产量和品质深受倒伏问题困扰。当植株缺乏足够的机械支撑时，会发生茎秆弯曲或折断，导致减产高达80%，并影响机械化收割效率。茎秆强度是衡量抗倒伏能力的关键指标，然而其遗传调控机制仍不明确。以往研究虽鉴定出部分相关QTL，但针对茎秆强度本身的主效基因和通路仍缺乏系统解析。

为攻克这一难题，山东农业大学张大健教授团队在《The Crop Journal》发表了整合多组学技术的研究成果。他们利用重组自交系群体（RIL）和289份自然种质，结合QTL定位与全基因组关联分析（GWAS），锁定了一个调控茎秆强度的关键遗传区域，并通过转录组测序、单细胞测序和残杂合系（RHLs）实验验证了候选基因的功能。

研究主要采用以下技术方法：

1. 1.
   利用RIL群体和自然种质进行表型精准鉴定（茎秆强度、解剖结构参数）；
2. 2.
   通过全基因组重测序构建高密度遗传图谱，采用复合区间映射（CIM）进行QTL扫描；
3. 3.
   基于混合线性模型（MLM）的GWAS分析；
4. 4.
   整合RNA-seq、RT-qPCR和单细胞转录组数据筛选候选基因；
5. 5.
   创建残杂合系（RHLs）验证基因功能与表型关联。

3.1 QTL定位鉴定茎秆强度主效位点

通过亲本JLR113（高茎秆强度）与JLCMS147B（低强度）构建的RIL群体，在两地重复实验中检测到4个QTL信号，其中染色体17上的qSS17-1解释22%的表型变异。该区间包含27个基因，包括转录因子、酶类及未表征基因。

3.2 GWAS验证关键遗传区域

对289份种质的GWAS分析发现染色体17上733个显著SNP聚集的区间，与QTL区间重叠区域包含15个高置信候选基因，包括WRKY、WOX4-like等转录因子。

3.3 GmWOX4-like作为核心候选基因的功能验证

通过亲本表达分析发现Glyma.17G240300（GmWOX4-like）在茎部特异高表达，且在低强度亲本中表达量显著升高。单细胞转录组显示其在形成层和韧皮部富集，表明其参与血管组织分化。

3.4 GmWOX4-like调控茎秆解剖结构的多通路机制

利用RHLs对比发现，GmWOX4-like高表达系（RHL-37）韧皮部比例增加、木质部/韧皮部比值降低，茎秆强度减弱。共表达网络分析揭示其与茉莉酸信号、微管动态、次生代谢物合成等通路关联。

3.5 启动子自然变异与抗倒伏表型关联

分析396份种质发现GmWOX4-like启动子存在3种单倍型，Hap1型种质茎秆强度显著高于Hap2/Hap3，且倒伏率更低，证实启动子变异通过调控表达量影响表型。

本研究首次整合多组学手段揭示了大豆茎秆强度的遗传基础，鉴定出主效QTLqSS17-1及其核心候选基因GmWOX4-like。该基因通过调控形成层分化影响血管组织比例，进而调控茎秆机械强度。启动子自然变异与表型的关联为分子标记辅助选择提供了直接依据。研究不仅深化了对作物茎秆发育分子机制的理解，也为培育抗倒伏高产大豆品种提供了关键基因资源和育种策略。