玉米三层支撑根性状遗传架构的全基因组关联分析

《Agronomy》：A Genome-Wide Association Study Dissects the Genetic Architecture of Three Brace-Root Traits in Maize

　　

支撑根是影响玉米抗倒伏能力的重要器官。解析支撑根性状的遗传基础有助于提升玉米抗倒伏能力。本研究利用508份玉米自交系关联群体，在两个环境下对支撑根层数（tier number, TN）、支撑根数量（brace-root number, RN）和支撑根环半径（radius of brace-root circle, RBR）三个性状进行表型评价，并开展全基因组关联分析（genome-wide association study, GWAS）。采用固定与随机模型循环概率统一（fixed and random model circulating probability unification, FarmCPU）方法，结合Bonferroni和Benjamini–Hochberg错误发现率（false discovery rate, FDR）校正，鉴定到建议性候选关联（p < 1 × 10?5）及四组环境特异性连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）；经多重检验校正后，无SNP达到全基因组显著水平。在这些SNP的LD区间内，鉴定到14个候选基因并完成功能注释。本研究挖掘到的与玉米支撑根性状变异相关的遗传位点和候选基因，有助于进一步揭示其遗传基础，并为相关调控基因的未来功能研究提供理论基础。

一、研究背景与科学问题

玉米是全球重要的粮食和饲料作物，随着人口增长，其产量需持续提升。然而，耕地总面积有限，必须通过提高单位面积产量来实现增产，例如合理增加种植密度。但种植密度的增加主要受植株倒伏制约，而抗倒伏能力受根系构型等多种因素影响。玉米根系具有特殊性，包含一类从植株下部地上节位长出的特殊根——支撑根（brace root），与地下冠根共同承担锚定和水分吸收功能，并优先表达多种水分和养分转运蛋白。支撑根角度、每轮支撑根数量及支撑根层数与抗倒伏性呈正相关。遗传分析表明，支撑根数量（RN）、层数（TN）和支撑根环半径（RBR）是由多个微效位点控制的数量性状。此前通过数量性状位点（quantitative trait locus, QTL）定位已在不同群体中鉴定到若干与支撑根性状相关的QTL，但由于支撑根性状的复杂性和遗传材料、分析方法差异，定位结果常不一致。因此，有必要进一步挖掘玉米支撑根性状的新位点，揭示其遗传基础，为分子设计育种提供理论依据。

二、研究内容与主要结论

本研究利用508份玉米自交系关联群体，在两个环境（辽宁沈阳2022年、河南新乡2023年）下对TN、RN和RBR三个支撑根性状进行表型鉴定，并开展GWAS。结果表明，三个性状在群体中呈现广泛表型变异，近似正态分布且略左偏；单环境广义遗传力为0.69–0.96，跨环境遗传力为0.40–0.63，且三个性状均存在显著的基因型×环境互作效应。相关性分析显示RN与TN（r = 0.35）、RN与RBR（r = 0.30）、TN与RBR（r = 0.49）均呈显著正相关，但相关系数低至中等，表明三个性状既共享部分遗传组分又具有相对独立的遗传基础。GWAS采用FarmCPU方法，以p < 1 × 10^?5为建议性阈值，经Bonferroni（p < 8.95 × 10^?8）和FDR（q < 0.05）校正后无SNP达到全基因组显著水平，最小观测FDR q值为0.095。共鉴定到11个与TN建议性关联的SNP、14个与RN关联的SNP和14个与RBR关联的SNP，单个SNP解释表型变异的3.93%–22.19%。其中7个SNP在单环境与跨环境分析中重复检出，另有四组SNP表现出强环境特异性连锁不平衡。与已报道QTL的共定位分析显示，2号染色体上两个与RN关联的SNP与RBR的QTL qRBR2-1重叠，但未发现与同一性状QTL的遗传重叠。在重复检出SNP的LD区间内共鉴定到9个基因，其中8个完成功能注释，编码Bowman–Birk蛋白酶抑制剂、硫酯酶超家族蛋白、Ypt/Rab-GAP结构域蛋白、O-乙酰丝氨酸（硫醇）裂解酶B（OASB）等；环境特异性SNP区间内鉴定到4个基因，分别编码bZIP型转录因子、appr-1-p加工酶家族蛋白、CCAAT-HAP3转录因子和α/β-水解酶超家族蛋白。表达模式分析显示其中7个基因在支撑根中有表达。

三、主要关键技术方法

研究人员采用以下关键技术方法：①利用508份玉米自交系关联群体，来源包括美国种质增强玉米（GEM）计划60份、国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）223份和中国来源225份，群体分为坚秆（SS）、非坚秆（NSS）、热带亚热带（TST）和混合（MIXED）四个亚群；②在两个环境采用随机区组设计进行田间试验和表型鉴定；③利用线性混合模型进行方差分析（ANOVA）和最佳线性无偏预测（BLUP）及广义遗传力计算；④采用FarmCPU方法在GAPIT v3软件包中进行GWAS，以558,629个SNP（最小等位基因频率>5%）为基因型数据；⑤利用PLINK clumping（r² > 0.2）进行LD聚类，以B73 RefGen_v2为参考基因组，在SNP上下游50 kb范围内鉴定候选基因并基于拟南芥和水稻同源基因进行功能注释；⑥利用MaizeGDB qTeller数据库的RNA-seq数据绘制候选基因表达热图。

四、研究结果

4.1 描述性统计与相关性分析

表型变异分析显示，关联群体中RN、TN和RBR表现出广泛的表型变异，呈轻微左偏的正态分布，符合数量性状遗传特征。单环境广义遗传力（h²）为0.69–0.96（沈阳：0.69–0.80；新乡：0.93–0.96），跨环境为0.40–0.63。三个性状均存在显著的基因型×环境互作效应（p < 0.01），基因型方差在单环境和联合环境中均极显著（p < 0.01）。相关性分析表明RN与TN（r = 0.35）、RN与RBR（r = 0.30）、TN与RBR（r = 0.49）均呈显著正相关（p < 0.01），相关系数低至中等，表明三个性状相关但遗传上部分独立。环境间比较显示，沈阳环境的RN（18.48）、TN（2.67）和RBR（6.45）平均值均显著高于新乡（12.52、1.88、3.61）。亚群间比较显示，RN在NSS和TST亚群中显著高于MIXED和SS亚群；TN和RBR在TST和SS亚群中显著高于NSS和MIXED亚群。

4.2 支撑根性状的GWAS

采用FarmCPU方法以p < 1.0 × 10^?5为阈值进行GWAS。经Bonferroni和FDR校正后无SNP达到全基因组显著水平，因此以p < 1 × 10^?5的报告建议性候选关联。RN在沈阳、新乡和跨环境分析中分别检测到6、5和3个建议性SNP，分布于2、3、4、5、6、7号染色体，单个SNP解释4.21%–10.15%的表型变异，分别解释总表型变异的19.34%、11.07%和19.43%。TN在三个分析中分别检测到10、8和9个建议性SNP，分布于除3号染色体外的9条染色体，单个SNP解释3.98%–22.19%的表型变异，分别解释总变异的38.08%、15.53%和30.26%。RBR在三个分析中分别检测到4、10和9个建议性SNP，分布于1、2、3、5、6、7、8、9号染色体，单个SNP解释3.93%–12.78%的表型变异，分别解释总变异的18.65%、22.31%和24.64%。其中26个建议性SNP解释超过10%的表型变异，7个SNP在单环境和跨环境分析中均被检出。显著SNP的?log₁₀(p)值范围为5.02–6.42，对应中等显著水平。

4.3 三个支撑根性状的遗传重叠

研究人员将本研究鉴定的建议性SNP与已报道的RN、TN和RBR的QTL进行共定位分析。结果显示，2号染色体上两个与RN关联的显著SNP与RBR的QTL qRBR2-1重叠，但未发现与同一性状QTL的遗传重叠。

4.4 建议性SNP的基因型效应描述

对7个在单环境与跨环境分析中重复检出的建议性SNP进行等位基因效应评估，观察到RN、TN和RBR在主效和次要等位基因间的表型分布差异。此外还分析了四组环境特异性邻近建议性SNP。Student's t检验p值未进行多重检验校正，仅作探索性解释。

4.5 位置候选基因的注释与表达模式

在7个重复检出的建议性SNP上下游50 kb范围内共鉴定到9个基因，其中8个完成功能注释，分别编码Bowman–Birk蛋白酶抑制剂、硫酯酶超家族蛋白、Ypt/Rab-GAP结构域蛋白、OASB及其他干旱响应和防御功能蛋白。在环境特异性建议性连续SNP中鉴定并注释了4个基因：GRMZM2G062391编码bZIP型转录因子，GRMZM2G062425编码appr-1-p加工酶家族蛋白，GRMZM2G169884编码CCAAT-HAP3转录因子，GRMZM2G418415编码α/β-水解酶超家族蛋白。利用16个不同组织（包括支撑根）的RNA-seq数据分析表达模式，其中7个基因在大多数组织中表达且无组织特异性，GRMZM2G062425在16个组织中均有显著表达，7个基因在支撑根中有表达。

五、讨论与结论

本研究系统解析了玉米三个关键支撑根性状的遗传基础。讨论部分指出：支撑根性状受较强的遗传控制，跨环境遗传力中等（0.40–0.63）是复杂根性状的典型特征，受环境和基因型×环境互作强烈影响；FarmCPU模型能有效控制群体结构和亲缘关系的混杂效应，但严格校正可能过于保守而增加假阴性，因此采用p < 1.0 × 10^?5的建议性阈值；建议性位点的染色体分布呈现性状特异性，TN位点主要位于1、3、5号染色体，RN和RBR位点集中于2、4、8号染色体；候选基因涵盖蛋白酶抑制、翻译后修饰、囊泡运输、硫代谢、激素信号、脂肪酸代谢和碳水化合物代谢等多个功能类别，重复检出基因可能作为支撑根发育的核心调控组分，环境特异性基因可能介导支撑根对环境的适应性调控。研究结论为：通过FarmCPU模型结合两个环境的表型数据，鉴定到多个建议性SNP位点并筛选出14个候选基因，丰富了玉米根系发育的分子调控网络，为通过标记辅助选择改良玉米抗倒伏性提供了重要遗传资源。但研究存在一定局限性，如候选基因区间较大、仅包含两个环境的表型数据、候选基因功能需进一步通过qRT-PCR和转基因或基因编辑等手段验证。未来整合转录组学和代谢组学等多组学数据、解析关键基因的分子调控机制、开展多年多点表型评价，将有助于阐明支撑根性状的遗传调控网络，为玉米抗倒伏育种提供更精准的分子靶标。