小麦旗叶叶绿素含量：遗传解析、候选基因预测及其与其他农艺性状的关系

《Frontiers in Plant Science》：Flag leaf chlorophyll content of wheat: genetic dissection, candidate genes prediction and its relationship with other agronomic traits

　　

摘要

叶绿素是负责捕获光能并驱动光合转化的主要色素。作为籽粒灌浆期间的关键光合器官，旗叶在碳同化中发挥着至关重要的作用，因此，旗叶叶绿素含量（Flag leaf chlorophyll content, FLC）代表了提高小麦产量和保障粮食安全的一个有前景的靶标。解析FLC的遗传基础并阐明其与其他农艺性状的关系，对于加速旨在提高小麦品种光合效率和产量的分子育种至关重要。在本研究中，利用一个包含197份重组自交系（Recombinant inbred lines, RILs）的群体，检测到一个与FLC相关的主要且环境稳定的数量性状位点（Quantitative trait locus, QTL）。该QTL被命名为QFLC.scwl-4B，在多个环境中一致定位到4BS染色体臂上，解释9.36%–31.82%的表型变异（Phenotypic variance, PVE）。QFLC.scwl-4B的效应在另一个RIL群体中于不同环境条件下得到进一步验证。相关性和效应分析揭示，QFLC.scwl-4B表现出多效性，导致FLC、每穗小穗数（Spikelet number per spike, SNS）和旗叶厚度（Flag leaf thickness, FLT）增加，同时降低有效分蘖数（Productive tiller number, PTN）。此外，一个QFLC.scwl-4B的推定候选基因TraesCS4B03G0098300被鉴定为BBX家族基因的直系同源物，该家族基因已知能抑制叶绿素降解和衰老，并可能参与叶绿素合成。进一步研究发现，TraesCS4B03G0098300的启动子区在两个亲本间存在一个单核苷酸多态性（G/C）。综上所述，这些发现为育种计划中旨在开发高光合效率和高产量小麦品种的标记辅助选择提供了有价值的QTL资源和候选基因靶标。

论文解读：小麦旗叶叶绿素含量的遗传解析、候选基因预测及其与其他农艺性状的关系

**一、研究背景与科学问题**

小麦（Triticum aestivum L.）是全球重要的口粮作物，其产量直接关系粮食安全。在籽粒灌浆期，旗叶作为最主要的光合器官，为籽粒发育提供大部分碳水化合物，其光合效率直接影响籽粒产量。叶绿素作为负责捕获光能并驱动光合转化的主要色素，是决定叶片光合能力的关键因子。因此，提高旗叶叶绿素含量（Flag leaf chlorophyll content, FLC）被认为是实现小麦高产稳产的重要策略。

大量研究表明，FLC与净光合速率、千粒重（Thousand grain weight, TGW）和生物量积累等产量相关性状呈显著正相关。同时，FLC也是叶片衰老和氮素再动员效率的重要指标。灌浆期较高的FLC可以延缓衰老、延长光合功能期，并促进同化物向发育籽粒的转运。然而，FLC作为一个复杂的数量性状，受多个微效基因控制，并表现出复杂的基因型与环境的互作效应。尽管前人已利用分子标记技术在小麦中鉴定了数百个控制叶绿素含量的数量性状位点（Quantitative trait loci, QTLs），但大多数已报道的QTL是使用低密度标记在单一环境或逆境条件下鉴定到的，且多为微效位点，可直接应用于育种计划的、环境稳定且主效的QTL仍有待挖掘和鉴定。因此，亟需在更广泛的小麦种质中筛选新的主效且表达稳定的FLC相关QTL。该研究正是基于这一科学需求，利用两个重组自交系（Recombinant inbred line, RIL）群体，在多个环境下对FLC进行QTL检测与验证，并系统分析FLC与农艺、籽粒和根系性状的相关性及主效QTL的遗传效应，进而预测候选基因，为高光效小麦品种的标记辅助选择提供理论依据和基因资源。

**二、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术手段开展了这项研究：（1）利用前期已构建的基于小麦55K SNP芯片的高密度遗传图谱，在包含197个F7家系的2CN RIL群体（来源于20828和川农16（CN16）杂交）中进行QTL定位，采用完备区间作图法（Inclusive composite interval mapping, ICIM）、多环境试验加性模型及上位性互作检测模块进行分析；（2）利用另一个包含126个F7家系的2SY RIL群体（来源于20828和SY95-71杂交）对主效QTL进行效应验证，通过侧翼标记基因型分组并进行Student's t-test比较组间FLC差异；（3）通过将侧翼标记序列比对到中国春参考基因组（CS v2.1）确定QTL物理区间，结合公开的基因注释、表达谱数据及亲本基因组序列进行候选基因预测与序列多态性分析；（4）基于最佳线性无偏预测（Best linear unbiased prediction, BLUP）数据集，利用SPSS进行FLC与其他性状的相关性分析和1BL/1RS易位对FLC影响的效应评估。田间试验于2024和2025年在北碚（BD）、米城（MC）和开江（KJ）三个地点进行，FLC使用叶绿素仪在花后测定。

**三、研究结果**

**3.1 表型分析**

在全部四个环境中，亲本20828与CN16之间的FLC均存在显著差异（P < 0.05）。2CN群体中FLC值范围为24.77至46.67，变异系数（Coefficient of variation, CV）介于2.06%至7.77%之间，FLC的广义遗传力（Broad-sense heritability, H2）为0.48，表明FLC同时受遗传和环境因素影响。FLC的频率分布呈近似正态的连续分布，符合典型数量性状特征，适宜进行QTL分析。此外，四个环境间的FLC均检测到极显著正相关（P < 0.01）。

**3.2 FLC与农艺、籽粒相关及根系性状的相关性分析**

基于BLUP数据集的系统相关性分析显示：在农艺性状中，FLC与开花期（Flower period, FP）、每穗小穗数（Spikelet number per spike, SNS）、穗长（Spike length, SL）和旗叶厚度（Flag leaf thickness, FLT）呈显著正相关，而与穗伸出长度（Spike extension length, SEL）和有效分蘖数（Productive tiller number, PTN）呈显著负相关；在籽粒相关性状中，FLC与每穗粒数（Grain number per spike, GNPS）显著正相关，与籽粒长度（Grain length, GL）和籽粒宽度（Grain width, GW）显著负相关；在根系性状中，仅根平均直径（Average diameter, AD）和最大根长（Maximum root length, MRL）与FLC呈显著正相关。

**3.3 FLC的QTL定位**

共检测到3个控制FLC的QTL，分别位于2A、3A和4B染色体上。其中，QFLC.scwl-4B在全部四个环境和BLUP数据集中均被稳定检测到，而QFLC.scwl-2A和QFLC.scwl-3A仅在单一环境中被检测到。因此，QFLC.scwl-4B被认定为主效且稳定的QTL，定位于4BS染色体臂，侧翼标记为AX-109526283和AX-109373490，LOD值范围为3.68至16.91，解释9.36%至32.17%的表型变异（Phenotypic variance, PVE），其增效等位基因来自亲本20828。多环境QTL分析和上位性分析进一步验证了QFLC.scwl-4B的稳定性，并检测到8对上位性QTL互作。

**3.4 主效QTL QFLC.scwl-4B的验证**

在2SY验证群体中，基于侧翼标记AX-109526283和AX-109469073的基因型将群体分为两组，在2025MC、2026KJ和2026BD三个环境中，携带20828纯合增效等位基因的株系其FLC均显著高于携带SY95-71等位基因的株系，两组间FLC差异幅度为3.19%至4.79%，平均差异为3.86%，从而验证了QFLC.scwl-4B的遗传效应。

**3.5 1BL/1RS易位对FLC的影响**

在全部四个环境和BLUP数据集中，1BS和1RS株系间的FLC均无显著差异。在排除携带QFLC.scwl-4B增效等位基因的株系后进行亚组分析，两组间FLC仍无显著差异，表明1BL/1RS易位不影响FLC。

**3.6 QFLC.scwl-4B对农艺、籽粒相关及根系性状的效应**

效应分析显示，携带QFLC.scwl-4B增效等位基因的株系其PTN显著降低15.12%，而SNS、SL和FLT分别显著增加6.08%、10.04%和5.74%；在籽粒相关性状中，GNPS和单穗粒重（Grain weight per spike, GWPS）分别显著增加3.01%和2.03%；在根系性状中，根表面积（Root surface area, RSA）、根体积（Root volume, RV）、AD、MRL和根干重（Root dry weight, RDW）均显著增加。共定位分析发现，FLC的QTL与SNS、株高（Plant height, PH）、FLT和PTN的QTL在2CN群体中共定位。这些结果表明，QFLC.scwl-4B具有多效性，上调FLC、SNS和FLT，同时下调PTN。

**四、讨论与结论**

讨论部分重点阐述了三个方面的内容。第一，通过与已报道的FLC相关QTL进行比较，发现QFLC.scwl-4B位于4BS染色体臂31.71–39.88 Mb区间，该区间内此前无主效且稳定的FLC QTL被报道，仅有Qchl.saw-4B（31.50–53.56 Mb）与其存在物理区间重叠，但该位点为仅在单一环境检测到的微效QTL，因此QFLC.scwl-4B很可能是一个新鉴定的主效位点。同时，该物理区间还涵盖了多个已报道的TGW相关QTL，表明该基因组区域是调控多个重要农艺性状的关键区域，为解析产量相关性状的遗传基础提供了重要靶标。第二，本研究仅检测到3个FLC QTL且其中仅1个为主效稳定位点，研究人员分析认为这可能与群体规模有限、标记密度和作图分辨率不足以及环境变异等多种因素的综合影响有关，尽管如此，单一稳定主效QTL的鉴定仍具有重要价值。第三，在QFLC.scwl-4B的物理区间内共注释到65个高置信度基因，其中43个在叶片中表达，4个基因在叶片中表达水平显著高于其他组织。通过综合表达分析、基因功能注释和亲本序列比对，研究人员确定TraesCS4B03G0098300是最有希望的候选基因，该基因编码CONSTANS-like锌指蛋白，是BBX家族基因的直系同源物，而BBX家族成员（如CmBBX22）已被证明可抑制叶绿素降解和衰老相关基因的表达从而延缓衰老。序列分析显示，该基因的编码区（Coding sequence, CDS）在两个亲本间无差异，但其启动子区存在一个G/C单核苷酸多态性，提示该多态性可能影响基因表达进而调控FLC。此外，FLC与SNS的正相关关系表明两者同步改良可能增强冠层光合能力和产量潜力；而FLC与PTN的负相关关系反映了典型的遗传权衡。FLC与部分根系性状的正相关则提示协同调控可能有助于改良水分和养分获取能力。

研究结论如下：本研究利用RIL群体鉴定到一个主效、稳定且经过验证的FLC相关QTL，即QFLC.scwl-4B，该位点在多个环境中被一致检测到，最高可解释32.17%的表型变异。同时，研究人员系统评估了FLC与农艺、籽粒及根系性状间的遗传相关性，QFLC.scwl-4B与SNS、PH、FLT和PTN的QTL在2CN群体中共定位，证实了其多效性。此外，1BL/1RS易位对FLC无显著影响。综上所述，该研究为QFLC.scwl-4B的精细定位及其在未来标记辅助育种中的应用奠定了基础。该研究论文发表于《Frontiers in Plant Science》。