木薯中通过全基因组关联定位鉴定除草剂耐受相关基因组区域

《Plant Molecular Biology》：Pinpointing genomic regions conferring herbicide tolerance in cassava via genome-wide association mapping

　　

木薯（Manihot esculenta Crantz）是具有重大社会经济重要性的热带作物，其生产力可能受到除草剂敏感性的限制。研究人员旨在对194份木薯基因型进行全基因组关联研究（GWAS），以鉴定与中三酮（mesotrione）、S-甲草胺（S-metolachlor）和氯嘧磺隆甲基酯（chloransulam-methyl）耐受性相关的基因组区域。在施药后3、6、9、15和30天（DAA）的评估用于表征药害的时间进程；基于该分析，施药后9天的表型（PhytoX9DAA）因代表症状表达最强且基因型区分度最高而被用于关联分析。研究人员使用去回归最佳线性无偏预测值（de-regressed BLUPs），并采用混合线性模型（MLM）、多位点混合模型（MLMM）和BLINK模型，纳入亲缘矩阵（K）和群体结构矩阵（Q）。在多条染色体上检测到显著标记，相应基因组窗口包含与除草剂响应相关的候选基因，主要功能类别包括膜运输、通道活性、信号肽加工、蛋白质磷酸化、细胞信号传导和代谢调控。关键候选基因有 Manes.02G151900 和 Manes.02G152700（2号染色体，跨膜运输与信号肽加工），Manes.09G060900（9号染色体，蛋白激酶活性、ATP结合、蛋白质磷酸化），Manes.15G083800 和 Manes.15G084000（15号染色体，S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基转移酶活性、膜相关功能、蛋白质磷酸化）。这些基因参与细胞信号、膜运输和代谢调控途径，可能贡献于除草剂耐受。结果表明木薯除草剂耐受是由众多小效应位点控制的定量多基因性状；细胞信号、代谢调控与膜运输的整合支持化学暴露下的生理韧性，为育种策略和标记辅助选择提供依据。

研究背景方面，木薯是热带和亚热带地区重要粮食与经济作物，杂草治理中除草剂使用增加，但木薯对除草剂的遗传耐受性及其遗传架构研究很少。已有研究仅报道品种间可见药害差异，或从生理层面提及细胞色素P450、谷胱甘肽S-转移酶（GST）、ABC转运蛋白等非靶标位点抗性机制；转录组研究也提示P450、GST、糖基转移酶（GT）、ABC转运蛋白等参与草甘膦响应。然而，木薯中针对中三酮、S-甲草隆、氯嘧磺隆甲基酯的GWAS研究此前未见报道，基因型×环境互作也影响田间药害判读。因此，研究人员开展本研究以明确木薯除草剂耐受的遗传基础，服务标记辅助选择与基因编辑育种。该研究发表于《Plant Molecular Biology》。

关键技术方法方面，研究人员使用194份木薯基因型群体，主要来源于巴西Embrapa木薯与水果育种计划，含地方种和改良品种，并于2023与2024两个生长季在巴伊亚联邦雷孔卡沃大学田间以增广区组设计评估三种苗后除草剂药害。基因型数据来自基因分型测序（GBS），质控后保留23047个SNP；表型采用施药后9天药害百分比转化的去回归BLUPs；关联分析用GAPIT v3.0运行MLM、MLMM、BLINK，并加入主成分得到Q矩阵与VanRaden亲缘K矩阵，显著性用Bonferroni校正，候选基因以参考基因组±120 kb窗口注释并做GO功能注解。

研究结果如下。

SNP标记分布与群体结构：研究人员基于23047个SNP发现木薯面板平均次要等位基因频率0.169，观测与期望杂合度接近，全基因组连锁不平衡（LD）在4至6 Mb降至背景水平r²=0.16；主成分分析（PCA）前两层解释11.37%变异，IBS亲缘矩阵显示面板内 Relatedness 适中。结论为该群体遗传多样性足以支撑GWAS。

GWAS结果：氯嘧磺隆甲基酯在任何模型与年份均未检出显著SNP，研究人员认为这可能源于多小效应位点、统计功效不足或表型分辨率有限。S-甲草胺仅在BLINK模型中于9号染色体chr9:1858429检出唯一显著SNP，MAF=0.023，在2023、2024及合并数据集重复出现，但MLM与MLMM未支持，故需谨慎看待其生物学意义。中三酮检出68个显著SNP，分布于1、4、5、7、11、14、15、18号染色体；2024年BLINK、MLM、MLMM各见不同峰，合并分析中5号染色体出现相邻SNP构成的LD块，4号染色体位点在MLM与MLMM间有一致支持，显示中三酮耐受具多基因与多位点架构。

候选基因注释：在±120 kb窗口共获59个候选基因。1号染色体基因涉及RNA结合与RNA加工；7号染色体基因具抗porter、异源物跨膜运输活性，类似ABC与MATE家族；15号染色体基因涉及DNA结合、转录因子活性与跨膜运输；2、9、15号染色体关键基因分别关联跨膜运输与信号肽加工、蛋白激酶与ATP结合磷酸化、S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基转移酶与膜相关磷酸化。研究人员指出这些仅为注释与比较证据支持的假设，非木薯内实验验证。

讨论部分总结：研究人员强调9 DAA可捕捉最大遗传分化，是三类除草剂共同可用表型。氯嘧磺隆甲基酯无显著关联不代表非多基因，也可能受群体小、标记密度低、低频因果变异与年份互作影响。S-甲草胺唯一位点虽跨年重现，但稀有且单模型支持，宜作为待验证候选。中三酮多位点信号反映定量架构；λ_GC为0.62至1.07，BLINK与MLMM接近1，MLM偏低属保守，非基因组膨胀。总体看，木薯除草剂耐受由膜运输、细胞信号、代谢调控与RNA处理等过程共同支撑，但因果基因仍需独立群体、效应估计与功能验证。

研究结论部分译为：木薯除草剂耐受是由众多小效应位点调控的定量且多基因性状。细胞信号传导、代谢调控与膜运输的整合支持了物种在化学暴露下的生理韧性，为育种策略与标记辅助选择提供了有价值的信息。