《Theoretical and Applied Genetics》：The effect of selection on allele frequencies and diversity in wheat (Triticum aestivum)
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专业摘要翻译：
有效选择能够提高有利等位基因的频率，但可能降低遗传变异。小麦品系在逐级测试过程中发生的等位基因频率变化（AFC）程度尚未得到充分记录。本研究的目标是确定小麦育种程序中AFC的幅度、评估AFC的一致性，以及选择对群体结构和多样性的影响。研究人员计
专业摘要翻译：
有效选择能够提高有利等位基因的频率，但可能降低遗传变异。小麦品系在逐级测试过程中发生的等位基因频率变化（AFC）程度尚未得到充分记录。本研究的目标是确定小麦育种程序中AFC的幅度、评估AFC的一致性，以及选择对群体结构和多样性的影响。研究人员计算了来自十个世系群体（cohort）、经过四个选择阶段（主要针对产量）的4,678份小麦品系在1,173个标记位点上的AFC。研究人员对48,093个标记/世系群体/选择阶段组合进行了AFC计算，并确定其中23.5%的AFC变化幅度超过了遗传漂变（genetic drift）的预期，因而归因于选择作用。大多数大幅度的AFC出现在最后一个选择阶段。有89个标记的AFC表现出跨世系群体和选择阶段的一致单向选择迹象，而68.3%归因于选择的AFC具有世系群体/选择阶段和方向特异性。在世系群体内部，平均有24.1%的标记在第4阶段测试中已趋于固定（fixed），但很少有标记在多个世系群体中同时固定。每个世系群体经历了某种程度独特的基因组变化，这可能是由于在独特的环境组合中进行选择所致。处于第4阶段测试的不同世系群体品系之间的遗传距离与第1阶段品系之间的遗传距离相近。在多个世系群体的最优品系之间进行杂交可以减轻单个世系群体内部的多样性丧失，并可能重组在广泛环境条件下被选择出的有利等位基因。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
小麦（Triticum aestivum）是全球最重要的粮食作物之一，其育种历史已逾百年。俄亥俄州立大学（OSU）的小麦育种项目始于1860年前后，最初仅评估种质对俄亥俄州环境的适应性，随后转向从老化的异质品种中选择优良个体，第一次世界大战前后开始采用杂交与后代选择相结合的方法。如今，该项目已融合传统育种与分子育种技术，包括基因组选择（genomic selection）。然而，高强度选择在提升目标性状的同时，不可避免地会对基因组产生深远影响。有效选择虽然能提高有利等位基因的频率，但也可能降低遗传变异，从而限制未来的遗传增益。此前已有研究探讨选择对小麦基因组的影响，例如Ayalew等人（2020）利用Wright固定指数在美国大平原硬红冬麦育种中鉴定选择信号，发现育种并未造成遗传多样性的显著降低；Mondaini等人（2022）在CIMMYT国际精英春小麦产量试验中发现9.8%的位点表现出强选择证据；Arguello-Blanco和Sneller（2023）则报告了五轮基因组选择后小麦基因组的显著变化。然而，这些研究均未考察单一世系群体（cohort）内成员在连续测试阶段推进过程中的基因组变化，也未将分析限定于单一精英育种项目，因而难以在群体内部识别选择信号。鉴于此，本研究旨在量化OSU小麦育种项目中品系逐级测试所引发的AFC幅度、评估AFC跨群体与跨阶段的一致性，并分析选择对群体结构和遗传多样性的影响。
二、研究设计与主要发现
研究人员利用来自OSU小麦育种项目10个世系群体（OH13至OH22）的4,673份软红冬小麦品系，这些品系均经历了四个阶段的田间测试选择，选择性状主要为产量、容重、赤霉病（FHB）抗性及农艺性状。研究人员对1,173个SNP标记在48,093个标记/世系群体/选择阶段组合中计算了AFC，并通过模拟遗传漂变来确定观察到的AFC是否超出随机预期。结果表明，23.5%的AFC被归因于选择作用，且大多数大幅AFC发生在最后一个选择阶段（第3阶段至第4阶段）。研究人员鉴定出89个标记表现出跨世系群体和选择阶段的一致单向选择信号，但68.3%归因于选择的AFC具有世系群体/选择阶段和方向特异性。在世系群体内部，平均24.1%的标记在第4阶段测试中趋于固定，但跨群体固定现象有限。各世系群体经历了独特的基因组变化，第4阶段不同世系群体品系间的遗传距离与第1阶段品系间相近。这些发现表明，在多个世系群体的最优品系间进行杂交可有效恢复群体内丧失的多样性，并重组在多样环境中被选择出的有利等位基因。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：1）基因分型测序（genotyping-by-sequencing, GBS）技术，在堪萨斯州立大学小麦遗传学实验室完成，通过TASSEL-GBS流程（版本4.3.5）进行SNP calling，初始发现超过694k个SNP，经最小等位基因频率（MAF）<5%和杂合率>25%过滤后保留3,452个SNP，再经连锁不平衡（LD）修剪（r2<0.4）后最终获得1,173个SNP用于分析；2）使用Beagle版本5.5基于血缘同一性（IBD）进行基因型填补（imputation）；3）遗传漂变模拟：对每个标记/世系群体/选择阶段组合进行100次随机抽样，计算随机AFC的标准差σ，并通过标准正态分布累积函数计算观察AFC由随机漂变产生的概率，p<0.05的AFC被归因于选择（AFCsel）；4）全基因组关联分析（GWAS）：使用GAPIT软件，采用多位点混合线性模型，对籽粒产量、容重、FHB指数等性状的BLUE值进行分析，模型中包含三个主成分作为群体结构固定效应；5）群体分化分析：使用hierfstat包（版本0.5-11）计算Weir和Cockerham（1984）定义的FST值，并对FST矩阵进行Ward层次聚类；6）连锁不平衡计算：使用TASSEL版本5.0的LD函数计算89个一致性标记间的r2值；7）遗传距离计算：基于身份一致性（identity-by-state, IBS）度量计算个体间遗传距离。
四、研究结果
- 1.
世系群体、选择强度与表型变化
研究人员通过将每个世系群体内品系的遗传值回归到其最高测试阶段（1、2、3或4）来评估性状变化。结果显示，在10个世系群体中有9个群体的籽粒产量显著增加，平均每个选择阶段增益143.7 kg/ha；FHB指数平均每个选择阶段下降1.48%；但容重变化不显著。选择强度从第1阶段到第2阶段最低（平均33.5%品系被推进），从第3阶段到第4阶段最高（平均21.3%品系被推进）。跨所有阶段和世系群体，仅有1.9%的品系从第1阶段进入第4阶段测试。
- 2.
标记与群体结构
1,173个SNP广泛分布于小麦基因组，其中41%来自A基因组，44%来自B基因组，15%来自D基因组。研究人员将4,673份品系按世系群体和测试阶段分为33个组，计算组间FST并进行聚类分析。聚类分析显示两个主要簇，每个簇含两个亚簇。同一世系群体的第1、2、3阶段品系总是聚类在同一亚簇中，但第4阶段品系仅在OH17和OH13世系群体中与其前期阶段品系聚类。33个组间的平均FST为0.089，最高FST（0.233）出现在OH14-4与OH16-4之间。世系群体内，第1阶段品系与更高级阶段品系的分化随阶段推进而增加，第1与第2阶段间平均FST仅为0.01，而第1与第4阶段间为0.051。不同世系群体间，第1阶段品系间平均FST为0.05，第4阶段品系间平均FST为0.154，表明选择增加了不同世系群体间的分化，且第3阶段到第4阶段的推进导致分化增幅最大（+0.069）。
- 3.
等位基因频率变化
在48,093个AFC计算中，22,402个（46.6%）的绝对值≥0.05，11,301个（23.5%）被归因于选择（AFCsel）。研究人员通过%AFCsel≥35%和方向比（±比值）≥3两个标准，鉴定出91个标记表现出跨世系群体和选择阶段的一致单向选择信号。经LD分析去除两个r2>0.4的标记对中的一个成员后，最终保留89个独立的一致性标记。这89个标记贡献了11,301个AFCsel中的3,584个（31.7%），其余68.3%的AFCsel具有世系群体/选择阶段特异性。方差分析（ANOVA）表明，选择阶段对%AFCsel、AFC≥0.05或≤-0.05的标记数、固定标记百分比和AFC绝对值均有显著影响（p<0.05），而世系群体仅对AFC绝对值有显著影响。涉及推进到第4阶段的选择（1→4、2→4、3→4）对各项指标影响最大。GWAS分析显示，89个一致性标记在产量、FHB指数和容重性状上的显著频率高于预期（χ2检验，p<0.05）。
- 4.
固定与遗传距离
研究人员将初始MAF<0.96且最终MAF>0.99的标记判定为固定。固定标记的初始等位基因频率平均为0.883，导致固定的AFC绝对值平均为0.1166。固定标记百分比随测试阶段推进而增加：第1阶段为11%，第2阶段为15.3%，第3阶段为24.57%，第4阶段为28.7%。第3阶段到第4阶段的推进平均导致24.1%的标记/世系群体组合发生固定，且所有导致固定的AFC中有65.5%发生在该阶段。在8个经历3→4推进的世系群体中，共有174个标记在3→4阶段固定，平均25.1%在一个世系群体中固定的标记也在另一个世系群体中固定。跨所有世系群体，84份进入第4阶段测试的品系中仅有1.97%的标记在所有品系中固定。遗传距离方面，所有第1阶段品系间的平均遗传距离为0.291，第4阶段品系间为0.275，下降5.5%。不同世系群体第1阶段品系间平均遗传距离为0.293，第4阶段品系间为0.290。
五、讨论与结论
讨论部分指出，品系逐级推进产生的表型改良（产量和FHB抗性）伴随了大规模基因组变化，23.49%的分析显示AFC超出漂变预期。89个一致性标记仅占AFCsel的31.3%，其余68.7%具有标记/世系群体/选择阶段特异性，表明标记×环境互作和上位效应对AFC的普遍影响。第3阶段到第4阶段的选择对基因组影响最大，这可能与选择强度较高以及后期阶段使用高遗传力、多年份表型数据有关，使选择更为有效。虽然群体内固定率较高，但跨群体固定有限，且第4阶段不同世系群体品系间遗传距离与第1阶段相近，这源于不同世系群体在不同年份和地点组合中经历选择，产生了遗传分化。研究人员强调，在多个世系群体的最优品系间进行杂交可以快速恢复单个群体内丧失的多样性，并重组在广泛环境中被选择出的有利等位基因，从而为下一轮选择创造充足的遗传变异。
研究结论部分总结：植物育种者常面临在选育优良品系以实现近期目标与维持甚至增加遗传多样性以保障长期进展之间的两难。育种流水线中的表型选择导致了小麦基因组的显著变化，其中从第3阶段选择最优品系进入第4阶段测试时变化最大。研究人员鉴定了89个在跨世系群体、选择阶段和环境条件下表现出一致单向选择信号的标记，这些位点在基因组育种中的价值有待后续研究。虽然群体内存在大量等位基因固定，但跨所有世系群体的第4阶段品系中固定有限，且这些品系间存在相当程度的多样性，这种多样性可能源于在不同遗传背景和环境中的选择。利用来自多个世系群体的最优第4阶段品系进行杂交，可以利用其分化性并为下一轮选择创造充足的遗传多样性。
