中亚小麦种质籽粒大小遗传位点的全基因组关联分析和数量性状位点定位

《Plants》：Genetic Mapping of Loci Controlling Grain Size in Central Asian Wheat Accessions Through GWAS and QTL Mapping

　　

虽然籽粒大小是中亚小麦育种和产业中的一个重要性状，但其遗传基础尚未被解析。研究人员利用一个商业小麦多样性群体和分离群体进行了全基因组关联分析（GWAS）和数量性状位点（QTL）定位。在所研究的条件下，未检测到籽粒宽度（GW）的遗传或表型变异。对于籽粒长度（GL），研究人员在1A、1B、1D、2B、2D、3A、3B、3D、4B、5A、5B、5D、6A、6B、7A、7B和7D染色体上鉴定到37个显著标记-性状关联（MTA）。位于2D染色体的MTA（TaGL2DMTA）同时被三种GWAS模型检测到。从QTL分析中鉴定到两个控制GL的位点，分别位于2D染色体（TaGL2DQTL）和3A染色体（TaGL3AQTL）。2D染色体上的位点被互补的GWAS和QTL共同检测到。TaGL2DMTA、TaGL2DQTL和TaGL3AQTL分别解释了12.4–15.5%、14.5–18.3%和24.4–28.2%的表型变异，并使籽粒长度分别增加了6.8%（p = 0.0009）、2.3%（p = 0.024）和4.0%（p = 0.0001）。当这些位点转化为竞争性等位基因特异性PCR（KASP）标记后，TaGL2DMTA（p = 0.001）和TaGL3AQTL（p < 0.003）的有效等位基因与非有效等位基因之间的籽粒长度差异显著。对TaGL2DQTL的验证表明其在多样性群体中的有效等位基因分布有限（约3%）。在多样性群体和分离群体中，GL均与穗行粒重（GWT）和千粒重（TGW）呈正相关（多样性群体中r = 0.166/p = 0.03和0.526/p = 0.001；分离群体中r = 0.212/p = 0.08和0.640/p = 0.001）。尽管GL存在季节性变异，但其遗传力很高，多样性群体的广义遗传力（H2）为0.91，分离群体为0.93，表明其具有高度的遗传稳定性。总体而言，这些发现为籽粒大小的遗传控制提供了新的见解，并突出了所鉴定位点作为中亚小麦育种中标记辅助选择的有前景靶点。

研究背景与目的

籽粒大小是影响小麦产量和加工品质的重要性状。在中亚地区，特别是哈萨克斯坦作为该区域主要的小麦生产国和供应国，改良籽粒大小对于保障区域粮食安全具有重要意义。然而，尽管分子标记辅助育种在小麦改良中逐渐受到重视，中亚（尤其是哈萨克斯坦）小麦种质资源中籽粒形态的遗传基础尚未得到解析。此前的研究已在小麦多个染色体上鉴定到控制籽粒大小的数量性状位点（QTL），但针对中亚特定生态型和育种材料的系统性遗传解析仍然缺乏。因此，本研究旨在：（1）鉴定籽粒大小的显著变异；（2）通过全基因组关联分析（GWAS）和QTL定位进行遗传作图；（3）开发并验证适用于育种的竞争性等位基因特异性PCR（KASP）标记。

研究方法概述

研究人员使用了包含153份中亚春小麦优良品种的多样性群体（DP）和一个由哈萨克斯坦主栽品种‘Kazakhstanskaya Rannespelaya’与英国参考品种‘Paragon’杂交衍生的重组自交系群体（SP，共67个家系，已推进至F₈代）。田间试验于2024和2025两个生长季在哈萨克斯坦阿拉木图地区的哈萨克农业与植物种植研究所进行。采用MARVIN种子数字表型系统评估籽粒形态。遗传分析方面，DP使用Axiom 35K单核苷酸多态性（SNP）芯片进行基因分型，SP使用43K TaNGv1.1 SNP芯片。GWAS采用了贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套关键通路法（BLINK）、固定与随机模型循环概率统一法（FarmCPU）和多座位混合模型（MLMM）三种模型。QTL定位则基于R/qtl2框架进行。候选基因注释基于IWGSC RefSeq v1.0参考基因组，并利用开源基因发现与表达资源进行分析。

研究结果

2.1 表型变异与相关性分析

巴特利特检验显示两个生长季间的方差无显著差异。籽粒长度（GL）在两个群体中均表现出显著变异，而籽粒宽度（GW）变异不显著，表明中亚小麦种质中GW的遗传多样性有限。皮尔逊相关性分析显示GL在两个季节间高度一致（DP中r = 0.82，SP中r = 0.87）。GL与千粒重（TGW）在DP和SP中均呈极显著正相关（r分别为0.526和0.640）。尽管存在季节性变异，GL的遗传力很高，DP的广义遗传力（H²）为0.91，SP为0.93。

2.2 群体结构

结构分析（STRUCTURE）和主成分分析（PCA）均将DP划分为两个明确的亚群，Evanno方法的Delta K分析在K=2处呈现强峰。

2.3 籽粒长度的GWAS

经过质量控制后，保留了12,833个高质量SNP用于GWAS。在两个生长季和三种GWAS模型下，在多个染色体上检测到37个显著的标记-性状关联（MTA）。其中，位于2D染色体上与AX-94457710 SNP标记相关的稳健MTA（TaGL2DMTA）被所有三种模型在两个生长季中同时检测到，因此被选作进一步开发KASP标记。

2.4 籽粒长度的QTL分析

经过严格质控，最终遗传图谱包含5,397个SNP标记。QTL分析在2DL和3AL染色体上鉴定到两个控制GL的显著QTL。位于3AL的TaGL3AQTL在两个生长季中均稳定检测到。位于2DL的TaGL2DQTL与GWAS鉴定到的TaGL2DMTA区域直接对应，实现了两种方法的相互验证。

2.5 KASP标记的开发与验证

针对三个位点开发了诊断性KASP标记。TaGL2DMTA解释了12.4–15.5%的表型变异，使GL增加6.8%。TaGL2DQTL解释了14.5–18.3%的表型变异，使GL增加2.3%。TaGL3AQTL解释了24.4–28.2%的表型变异，使GL增加4.0%。在DP上的验证显示，TaGL2DMTA和TaGL3AQTL的有效等位基因与非有效等位基因间GL差异显著，而TaGL2DQTL的有效等位基因在DP中分布非常有限（仅约3%）。

2.6 有效等位基因分布

在DP中，约72%的种质在TaGL2DMTA位点携带纯合有效等位基因，88.3%在TaGL3AQTL位点携带纯合有效等位基因，表明这些有利等位基因在中亚小麦中频率较高。而在SP中，这两个位点的等位基因分布较为均衡。

2.7 候选基因注释

在TaGL2DMTA/TaGL2DQTL位点附近鉴定到四个高置信度候选基因，其中最接近且高度相关的基因为TraesCS2D02G505700，编码蔗糖转运蛋白SUT5，在发育籽粒中高表达。在TaGL3AQTL位点附近也鉴定到四个高置信度候选基因，其中TraesCS3A02G400500编码LETM蛋白，在籽粒和胚中高表达，被认为是重要候选基因。

讨论与结论

讨论部分指出，籽粒长度和宽度受独立的遗传因子控制，本研究在中亚小麦中未检测到GW的遗传变异，这与前人报道一致。GL与粒重和千粒重的正相关表明其可通过提高籽粒重量进而贡献于产量。2DL和3AL染色体被确认为控制GL的关键区域，与前人研究结果吻合，其中TaGL3AQTL可能是一个新的位点。候选基因TraesCS2D02G505700（SUT5蔗糖转运蛋白）和TraesCS3A02G400500（LETM蛋白）的功能与籽粒发育密切相关。

研究结论部分指出：较大的籽粒是中亚小麦育种的重要目标。本研究鉴定了与中亚小麦种质籽粒长度相关的基因组区域，为该性状在该区域的遗传基础提供了新见解。籽粒长度与粒重和千粒重呈正相关，凸显了其对粒重的潜在贡献。2DL和3AL染色体成为改善中亚小麦籽粒形态的标记辅助选择的有前景靶点。为TaGL2DMTA、TaGL2DQTL和TaGL3AQTL位点开发的KASP标记为鉴定有利等位基因和支持其在育种中的应用提供了实用工具。