《Crop Science》：Genome-wide association study reveals the genetic architecture of five grain minerals in North American spring wheat (Triticum aestivum L.)
编辑推荐：
生物强化旨在通过培育营养密度增加的 staple crops（主粮作物）来降低弱势群体中微量营养素营养不良的普遍性。在常规管理措施下评估籽粒矿质元素的表型变异及其遗传控制，可为营养相关性状的改良提供坚实基础。本研究对春小麦（Triticum aestivum
生物强化旨在通过培育营养密度增加的 staple crops（主粮作物）来降低弱势群体中微量营养素营养不良的普遍性。在常规管理措施下评估籽粒矿质元素的表型变异及其遗传控制，可为营养相关性状的改良提供坚实基础。本研究对春小麦（Triticum aestivum L.）群体的五种籽粒矿质元素（钙、锰、铁、锌和铜）、株高、千粒重和籽粒蛋白含量进行了标记-性状关联（marker-trait association，MTA）分析。研究群体包含234份优良育种品系和品种，在五个环境中进行了表型鉴定，并使用Illumina 90K单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）芯片进行基因分型。共使用8339个多态性标记，在19条染色体上鉴定出111个MTA中的62个与籽粒矿质元素性状相关。有14个MTA在多个环境中被鉴定到，其中1个与籽粒铁相关的MTA在三个环境中显著。先前报道的籽粒矿质元素MTA与本研究鉴定的MTA在13条染色体上呈现密集聚类，主要分布于A和B基因组。位于5A和2B染色体上的籽粒钙和锌显著SNP在早期研究中已有报道，可作为多性状改良的潜在靶点。本研究为北美小麦种质的基线变异性和生物强化潜力提供了基础数据。
一、研究背景与科学问题
面包小麦（Triticum aestivum L.）是全球种植最广泛的主粮作物之一，是许多地区膳食热量和蛋白质的主要来源。然而，以小麦等低成本主粮为主的膳食结构通常能量密度高但营养贫乏，难以提供人体所需的全部必需微量营养素，长期摄入此类低质量膳食可导致多种微量营养素缺乏，即所谓的"隐性饥饿"（hidden hunger），增加非传染性疾病和早逝风险。绿色革命的成功虽大幅提高了粮食产量，但传统种植系统被高产小麦品种替代后，隐性饥饿问题反而加剧，目前全球估计有近20亿人受其影响。生物强化（biofortification）即培育营养密度增加的品种，在食品强化和补充剂未能奏效的地区，提供了一种可持续且经济有效的解决方案。太平洋西北地区（Pacific Northwest，PNW）作为美国主要小麦产区和出口地，具备开展小麦生物强化研究的战略区位优势，但该地区小麦的生物强化潜力信息十分有限。
理解PNW地区北美小麦籽粒矿质元素的遗传架构，是生物强化育种流程中改善小麦制品营养品质的关键第一步。以往的全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）多采用电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）光谱法进行离子组表型分析，该方法虽为矿质元素分析的金标准，但成本高、通量低。能量色散X射线荧光（energy dispersive x-ray fluorescence，EDXRF）光谱法作为高通量表型工具，降低了技术门槛和单样本分析成本，已成功用于全籽小麦样品铁和锌浓度的无损估测，且近期验证的方法已扩展至钙、锰和铜等元素。然而，该扩展方法尚未应用于GWAS以定位这些额外籽粒矿质元素积累相关的位点。
二、研究内容与主要结论
本研究利用EDXRF的高通量能力，对北美春小麦群体的籽粒钙浓度（GCaC）、锰浓度（GMnC）、铁浓度（GFeC）、锌浓度（GZnC）和铜浓度（GCuC），以及籽粒蛋白含量（GPC）、千粒重（TKW）和株高（PH）进行了GWAS。研究结果为改善优良种质矿质元素浓度提供了区域基线，并揭示了籽粒矿质元素与GPC、TKW和PH之间的关系。
三、关键技术方法
研究人员使用Triticeae协调农业项目（TCAP）春小麦关联作图群体，包含来自美国六个公共小麦育种项目、加拿大两个育种项目及CIMMYT的249份材料，因种子有限实际使用234份。田间试验采用随机完全区组设计（n=2），在华盛顿州Pullman（2020、2021、2022年）和爱达荷州Genesee（2021、2022年）共五个环境种植。表型分析采用台式EDXRF光谱仪（Epsilon 4，Malvern Panalytical）测定五种矿质元素浓度，使用Perten NIR测定GPC，标准实验室方法测定TKW和PH。基因分型采用Illumina iSelect 90K SNP芯片，经质量过滤后保留8339个多态性标记和234个基因型。统计分析包括空间校正（AR1×AR1模型）、BLUEs计算、方差分析（ANOVA）、群体结构和连锁不平衡（LD）分析，以及使用GAPIT v3.0中BLINK模型进行关联分析。
四、主要研究结果
4.1 表型变异与性状相关性
所有性状在环境内和环境间的基因型均值差异均达显著水平（p<0.05）。年份主效应在多数情况下比地点解释了更多的表型变异，但GMnC和GFeC例外。环境内可靠性范围为0.42（GZnC和TKW）至0.95（PH）。跨环境籽粒矿质元素浓度范围：GCaC为339.9–534.5 mg kg-1，GCuC为2.4–4.9 mg kg-1，GMnC为33.0–47.4 mg kg-1，GFeC为28.3–32.8 mg kg-1，GZnC为17.8–26.0 mg kg-1。性状相关性分析显示，GZnC、GPC、GFeC和GMnC之间存在显著正相关（0.43<r2<0.60），GCaC与GMnC和GPC呈弱正相关，PH与GCaC呈弱负相关但与所有其他矿质元素和GPC正相关，TKW与GCuC和GZnC显著负相关。
4.2 标记分布与群体结构
过滤后B亚基因组多态性标记最多（3375个），其次为A（3238个）和D（1723个），分别占总标记的39%、40%和21%。2B染色体标记最多（688个），4D最少（129个）。群体结构分析显示最佳聚类为两组（k=2），美国西部和CIMMYT基因型构成第一簇，美国北部平原和加拿大基因型构成第二簇。LD衰减速率以D亚基因组最快（半衰期3.67 Mb），其次为A（3.96 Mb）和B（6.01 Mb）亚基因组。
4.3 关联分析结果
共鉴定出111个跨所有性状的MTA，分布于19条染色体，A亚基因组最多（45个），其次为B（42个）和D（21个），3D和5D染色体无显著MTA。TKW的MTA最多（25个），其次为GCaC（17个）、GCuC（14个）、PH（13个）、GPC和GFeC（各12个）、GMnC（9个）、GZnC（8个）。PVE范围为5.53E-07至60.72%。
GCuC共15个MTA，分布于9条染色体，其中4个在两个环境中显著。GZnC共8个MTA，IWB54558（1A）PVE最高（60.7%），且与GCuC共定位。GMnC共9个MTA，IWA135和IWB10474位于1A同一连锁群。GFeC共12个MTA，稳定标记IWB65183（3A）在三个环境（AYL、GEN21、GEN22）中显著，PVE为20.5%–37.6%。GCaC共18个MTA，IWB4446（5A）PVE最高（53.1%和52.1%），且与PH在三个环境显著相关。PH共12个MTA，IWB4446在三个环境显著并与GCaC共定位。GPC共12个MTA，4D染色体两个标记PVE最高（32.4%和35.0%）。TKW共25个MTA，三个稳定标记在两个环境中显著。
共发现14个稳定MTA（在至少两个环境包括AYL中显著），包括GCaC（5A、5B）、GCuC（1B、6B、6D、7D）、GFeC（3A）、GPC（3A）、PH（2A、4D、5A）和TKW（2B、6A、7A）各若干。GZnC和GMnC无稳定MTA。三个多效标记分别为：IWA135（1A）同时关联GCuC和GMnC（均在PUL20），IWB4446（5A）关联PH和GCaC（GEN22重叠），IWB54558（6B）关联GZnC（PUL22）和GCuC（AYL）。
4.4 有利等位基因聚合与候选基因
回归分析显示，有利等位基因数量增加与所有性状均值呈显著正线性关系（p<0.001），GPC呈对数趋势。有利等位基因解释的方差为11%（GCuC）至63%（PH）。对15个稳定或多效MTA区域共提取4167个候选基因，IWB54558区域候选基因最多（1238个），GFeC相关标记IWB65183区域未发现显著基因。
五、讨论与结论
讨论部分指出，本研究鉴定的MTA与先前研究在13条染色体上形成密集聚类，多个新标记定位到此前无籽粒矿质元素MTA报道的染色体区域。IWB4446（5A，701 Mb）可能与矮秆基因Rht-12（定位在5AL 700–710 Mb区域）处于连锁不平衡，该标记显性等位基因与株高降低3.5–5.0 cm和GCaC增加26.1–29.4 mg kg-1相关，但仅在GEN22对两个性状同时显著。性状相关性表明GZnC、GFeC、GMnC和GPC的表型协同选择是可行的，GPC作为已建立高通量表型程序的性状，可作为GZnC和GFeC选择的间接指标。GCaC是唯一未与所有矿质元素显著相关的性状，仅与GMnC相关。GFeC在现代小麦中变异有限，且EDXRF对全籽样品GFeC的测量精度相对较低，使得通过育种开发铁生物强化小麦面临挑战。GZnC范围相对较低可能归因于土壤锌有效性限制而非遗传性能，建议未来研究在田间补充锌肥以增加变异和均值。
研究结论为：本研究利用北美春小麦育种品系和品种群体，通过EDXRF表型分析鉴定了籽粒矿质元素的生物强化潜力和遗传架构。尽管存在显著互作效应，五种籽粒矿质元素仍表现出显著遗传变异和中高遗传力，支持籽粒矿质元素性状的遗传改良是可行的。研究鉴定了多个关键基因组区域和62个显著MTA，可作为进一步验证和育种项目整合的潜在靶点。三个多效标记和微量元素的性状相关性凸显了多性状改良的潜力。先前报道的籽粒矿质元素MTA与本研究发现SNP的共定位支持EDXRF在GWAS和性状选择中的应用。该研究为支持开发更有营养的小麦食品、改善人类健康的小麦遗传研究体系增添了重要价值。
