小麦萌发期茎长与根长全基因组关联分析及核心候选基因鉴定

《Agronomy》：Genome-Wide Association Study and Identification of Core Candidate Genes for Shoot and Root Length in Wheat During Germination

　　

为解决黄淮麦区匀播栽培体系下普通小麦(Triticum aestivum L.)品种对高幼苗活力育种的核心需求，研究人员旨在剖析萌发期茎长(shoot length, SL)与根长(root length, RL)的遗传架构并鉴定核心候选基因。研究人员以204份小麦种质组成的自然群体为材料，利用660K单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)芯片进行基因分型，并整合极端表型种质的转录组、代谢组和蛋白质组分析开展全基因组关联分析(GWAS)。SL与RL均为典型数量性状且呈极显著正相关。分别与SL和RL关联的显著SNP共111和176个，含56个共享位点。谷胱甘肽代谢被鉴定为两组织共有的保守核心通路，而光合作用-天线蛋白与苯丙烷生物合成分别被鉴定为茎与根的组织特异性通路。最终研究人员鉴定出SL的7个核心候选基因与RL的13个核心候选基因，含3个调控双性状的pleiotropic基因。该研究为适宜匀播专用小麦品种分子育种提供了宝贵遗传资源与关键靶点。

研究背景方面，普通小麦是全球种植最广的谷类作物，匀播栽培因群体分布均匀、光效高、省工降本已成为黄淮麦区核心栽培技术，其对萌发期幼苗建成能力提出新育种要求。萌发期茎长(SL)与初生根长(RL)是决定幼苗活力的核心性状，直接影响出苗整齐度、存活率及产量形成。早期研究依赖双亲分离群体连锁分析，分辨率低；常规GWA虽能高精度定位，但单靠GWA难以准确判定因果基因，且针对正常萌发条件下茎根协同生长、适配匀播需求的系统遗传研究仍稀缺。为此，研究人员以代表中国主产区及部分国外引进的204份面包小麦自然群体为材料，开展GWA与多组学整合研究，论文发表于《Agronomy》。

主要关键技术方法方面，研究人员构建204份小麦自然群体（185份国产育成系/品种+19份7国引进种质），萌发期水培法测定SL、RL及单株鲜重干重，三环境重复取最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction, BLUP)值；用小麦660K SNP芯片分型，质控后保留191433个高质量SNP；群体结构用Admixture(Evanno法定K=8)、主成分分析(principal component analysis, PCA)与邻接树评估，连锁不平衡(linkage disequilibrium, LD)衰减用PLINK计算；关联分析用TASSEL 5.0混合线性模型(mixed linear model, MLM)带入Q与K矩阵，以BLUP值为表型，采用提示性阈值?log10(p)≥3与Bonferroni校正p<2.61×10^?7；选极端材料YE056(长茎长根)与YE012(短茎短根)做转录组(MGI平台、DESeq2筛差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs))、蛋白质组(Orbitrap Astral、DIA-NN筛差异表达蛋白(differentially expressed proteins, DEPs))与非靶向代谢组(UPLC-MS/MS、XCMS筛差异积累代谢物(differentially accumulated metabolites, DAMs))，KEGG/GO富集交叉验证，最终用GWA区间∩转录DEG∩蛋白DEP三重交集定核心候选基因。

研究结果部分，3.1 萌发期茎根表型分析显示四性状近似正态、SL与RL极显著正相关，SL广义遗传力(H²)最高75.6%，RL为56.71%，鲜重45.20%、干重36.42%。3.2 群体遗传结构中A、B、D亚基因组分别获81635、103854、6270个SNP，K=8，全基因组LD衰减8.11 Mb（B亚基最长8.35 Mb）。3.3 GWA基于BLUP检出SL显著SNP 111个（7D上AX-94434302 PVE 19.23%为主效）、RL 176个（3B最多80个，5D上AX-94820457 PVE 13.33%为主效），共定位56个双性状SNP，7B染色体444.47–444.87 Mb处0.40 Mb强LD块为共有主效区间；λ接近1说明分层膨胀可控。3.4 LD块分析确认7B该区间、5B 398.71–399.23 Mb、5A 382.27–382.30 Mb为SL核心块，7B块亦为RL共有。3.5 等位效应分析表明7B上AX-95002868与AX-111533520有利等位(T/A)较不利(C/C)使SL增35.08%、RL增29.05%，有利等位个数与表型极显著正相关呈累积效应。3.6 多组学分析显示茎DEG富集光合-天线蛋白(KEGG q=7.30×10^?14)、蓝光响应；根DEG富集苯丙烷生物合成、卡尔文循环；两组织共有谷胱甘肽代谢等13条KEGG通路；转录-蛋白方向一致率约53%。3.7 候选基因分析中，SL得7个核心基因（如TraesCS1D02G375100等编码叶绿素a-b结合蛋白、TraesCS2A02G095700即NAS9-A编码烟碱胺合成酶），RL得13个（含4-香豆酸-CoA连接酶样蛋白、过氧化物酶、dirigent蛋白等），其中TraesCS1D02G375100、TraesCS5A02G188000、TraesCS7A02G248400为双性状pleiotropic核心基因。

讨论部分总结，研究人员指出表型变异丰富且SL高遗传力适合早代选择，RL中等遗传力需多环境评价；GWA新位点AX-94434302(7D)、AX-94820457(5D)及7B共定位块丰富了幼苗活力遗传资源；56共定位SNP中51个与鲜重共享提示部分信号反映总体幼苗活力，但5个不依赖鲜重说明存在专属茎根协同位点；多组学交叉证实谷胱甘肽代谢为共有保守通路，光合-天线蛋白与苯丙烷生物合成分别为茎根组织特异通路；7+13个核心基因经GWA-转录-蛋白三重验证，3个pleiotropic基因具匀播育种潜力，但仅用一对极端材料需后续多材料重复与基因编辑验证。

结论部分翻译：本研究利用204份代表性小麦种质自然群体，通过多环境表型、660K SNP分型与GWA系统剖析萌发期SL与RL遗传架构，分别检出111和176个显著SNP（含56个共定位、51个与鲜重关联）；多组学整合表明谷胱甘肽代谢为两组织共有保守核心通路，光合-天线蛋白与苯丙烷生物合成-细胞壁代谢分别为茎根组织特异通路，共同介导萌发期茎根协同伸长；经GWA-转录-蛋白三重验证获SL 7个、RL 13个核心候选基因（含3个pleiotropic基因）。研究丰富了小麦幼苗活力遗传资源，为适配匀播栽培的高活力品种分子育种提供了候选基因与分子标记。