《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide association study and genomic prediction of root system architecture in a diverse field-grown maize panel
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根系构型（Root system architecture, RSA）在玉米（Zea mays L.）的养分获取、水分吸收、抗倒伏和环境适应中发挥着关键作用。然而，田间条件下成熟期RSA的遗传基础仍缺乏系统解析，主要受限于高通量表型鉴定的挑战。本研究利用Sho
根系构型（Root system architecture, RSA）在玉米（Zea mays L.）的养分获取、水分吸收、抗倒伏和环境适应中发挥着关键作用。然而，田间条件下成熟期RSA的遗传基础仍缺乏系统解析，主要受限于高通量表型鉴定的挑战。本研究利用Shovelomics结合人工测量方法，在四个田间环境中对一份多样化的玉米关联群体进行了RSA相关性状的评价。采用BLINK和3VmrMLM模型进行全基因组关联分析（Genome-wide association study, GWAS），鉴定出4个被两种方法一致检测到的主效位点，以及3个表现出显著QTN-环境互作（QTN-by-environment interactions, QEIs）的额外位点。值得注意的是，位于第9号染色体上的SNP AX-90556586在不同环境中均与节根和冠根数量稳定关联。其候选基因编码一种富含亮氨酸重复序列的受体样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，与BRI1/SOBIR1类蛋白具有相似性，提示其参与激素介导的根系发育。基因组预测结果表明，富集显著位点的标记子集可提高群体内预测精度，而全基因组标记则能更好地捕获多基因遗传架构，从而在跨群体预测中表现更为稳健。这些发现为玉米RSA的遗传架构和环境响应性提供了见解，并为育种计划中改良根系性状提供了基因组资源。
论文解读
一、研究背景与科学问题
根系构型（Root system architecture, RSA）是指根系各组成部分在土壤中的空间配置方式，对植物的固持锚定、养分获取、水分吸收以及适应异质土壤环境具有根本性作用。在玉米中，RSA与耐旱性、耐涝性、抗倒伏性、养分利用效率以及逆境条件下的产量稳定性等农艺重要性状密切相关。根系系统的功能效率不仅取决于单根性状如数量、角度、密度和分枝模式，还取决于不同根系类别的协调发育和空间分布。因此，解析RSA的遗传基础对于改良玉米对不同环境的适应性、培育具有增强资源获取和逆境恢复能力的根系理想型至关重要。
玉米具有复杂的根系系统，包括胚生根和胚后根两类组分。胚生根系统包括主根和种子根，而胚后根系统包括冠根、支撑根和侧根，后者在成熟根系构型中占主导地位，对土壤探索和机械支撑贡献显著。尽管已有突变体研究鉴定出若干参与玉米根系发育的基因，但RSA性状通常具有多基因控制、环境敏感和发育动态变化的特点，其表达往往依赖于基因型、发育阶段和田间环境之间的复杂互作。
然而，田间成熟期玉米根系系统的遗传解析仍面临重大挑战。根系性状因埋藏于地下而难以表型鉴定，取样劳动强度大，且对土壤条件高度敏感。以往研究多集中于受控条件下的幼苗根系性状，可能无法完全反映田间条件下成熟根系系统的遗传调控。此外，很少有研究系统评估RSA性状的环境可塑性及其跨多个田间环境的遗传基础，GWAS衍生标记用于田间根系性状基因组预测的效用也尚未得到充分评估。
基于上述知识空白，本研究利用368份玉米自交系组成的多样化关联群体，采用Axiom? Maize 600K SNP芯片进行基因分型，在四个田间环境中通过Shovelomics和人工计数评估RSA相关性状，旨在：表征关联群体的遗传多样性、群体结构和连锁不平衡；评估成熟期玉米RSA性状的自然变异和环境可塑性；通过GWAS鉴定与RSA性状相关的显著位点和候选基因；评估GWAS关联标记能否提高RSA性状的基因组预测精度。
二、主要关键技术方法
研究人员使用了以下关键方法：采用Shovelomics结合人工计数对田间成熟期根系进行表型鉴定，测量9个RSA性状；利用Axiom? Maize 600K SNP芯片进行全基因组基因分型，质控后保留465,112个高质量SNP；采用STRUCTURE、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和系统发育分析评估群体结构，利用PLINK估计全基因组连锁不平衡（Linkage disequilibrium, LD）衰减；采用BLINK模型进行单环境全基因组关联分析（Genome-wide association study, GWAS），采用3VmrMLM模型进行多环境GWAS和基因型-环境互作（Genotype-by-environment interaction, G×E）分析；采用岭回归最佳线性无偏预测（ridge regression best linear unbiased prediction, rrBLUP）进行基因组预测，并通过五折交叉验证和独立群体验证评估预测精度。样本来源为368份玉米自交系组成的关联群体，田间试验在海南2017（HN_2017）、新疆2019（XJ_2019）、新疆2020（XJ_2020）和新疆2021（XJ_2021）四个环境中进行。
三、研究结果
3.1 关联群体的群体结构和LD衰减
STRUCTURE分析鉴定出7个主要亚群，分别对应Lancaster I、Reid、旅大红骨、Lancaster II、P、SPT和改良Reid群，代表自交系分别为OH43、PH6WC、Dan3130、PH4CV、P178、Ji853和郑58。PCA和系统发育分析与STRUCTURE聚类结果基本一致。全基因组LD随物理距离增加而快速衰减，平均LD衰减距离小于100 kb，表明玉米进化和育种过程中经历了广泛的历史重组。
3.2 RSA性状的表型变异和环境可塑性
9个RSA性状在四个环境中表现出显著的表型变异。支撑根轮数（BRW）范围为2.83至5.92，根角度（Angle）范围为28.78°至74.71°，根密度（Density）范围为0.92至4.08，第一轮支撑根数（N1stBR）范围为9.25至33.42。广义遗传力（H2）估计值范围为0.24（NCR）至0.71（TR），表明不同根系性状的遗传稳定性存在差异。Levene检验表明所有9个性状的方差在环境间不齐，Welch单因素方差分析显示所有性状在四个环境间均存在显著差异（P < 0.001）。HN_2017与三个新疆环境在所有9个性状上均存在显著差异，表明海南砖红壤与新疆钙质土壤的环境差异显著影响了玉米根系构型。总根数（TR）在环境间呈现XJ_2019 > XJ_2021 > XJ_2020 > HN_2017的排序，主要由胚后支撑根驱动；而冠根数（NCR）和节根/种子根数（NSR）在HN_2017中高于三个新疆环境。根角度在夏季极端高温的XJ_2021中最低，提示支撑根在严重非生物胁迫下趋于更水平取向。可塑性分析显示Density、NLBR和NSR的可塑性高于其他性状。相关性分析表明根数相关性状（NCR、NSR、TR）彼此正相关，根角度与根数性状呈弱负相关。PCA双标图显示第一主成分代表以N1stBR、N2ndBR、NLBR、BRW、TR和Density为主的胚后根系系统，第二主成分代表以NSR和NCR为主的胚生根系系统。
3.3 GWAS解析玉米RSA的主效位点和环境依赖性遗传变异
BLINK模型在预设的全基因组显著阈值下共鉴定出66个显著SNP，分布于全部10条玉米染色体，解释对应性状1.00%-31.53%的表型变异。其中，根系构型性状（Angle、Density、BRW）检测到20个显著位点；支撑根相关性状（N1stBR、N2ndBR、NLBR）检测到19个显著SNP，其中AX-90665607同时关联N1stBR和N2ndBR；冠根数（NCR）检测到7个显著SNP；节根/种子根数（NSR）检测到11个显著SNP；总根数检测到9个显著SNP。Q-Q图证实BLINK模型有效控制了群体分层。冠根数、种子根数和总根数之间存在多个共享位点，表明这些相互关联的根系性状具有部分重叠的遗传调控网络。
3VmrMLM多环境分析共鉴定出242个主效QTN（quantitative trait nucleotide）和210个QEI（QTN-by-environment interaction）。重叠分析显示，4个主效QTN同时被BLINK和3VmrMLM检测到，分别关联N2ndBR（AX-90761400、AX-91798419）、NCR（AX-90973644）、NLBR（AX-90761400）和BRW（AX-91512155）。此外，3个QEI与BLINK显著SNP重叠：AX-90556586关联NCR、NSR和BRW，AX-91512155关联BRW，AX-91511518关联NLBR。这三个具有QEI信号的SNP表现出显著的环境依赖性效应，其遗传效应的大小和方向在不同环境间均发生显著变化，呈现典型的交叉互作模式，表明这些位点的遗传效应强烈依赖于环境条件。
3.4 候选基因优先排序和性状关联单倍型分析
在BLINK和3VmrMLM共同检测的位点中，AX-90556586尤为值得关注，因其反复关联NCR、NSR和BRW。在BLINK分析中，该位点在HN_2017和XJ_2019中与NSR高度显著关联（P = 3.92×10?1?，PVE = 15.34%；P = 1.25×10?1?，PVE = 31.53%），在XJ_2019中与NCR显著关联（P = 3.80×10?2?，PVE = 23.97%），并与两个性状的环境可塑性显著关联。3VmrMLM分析在同一位置鉴定出NSR、NCR和BRW的显著QEI信号。区域LD分析确定GRMZM2G027958为该关联区间内最可能的候选基因，该基因编码富含亮氨酸重复序列（leucine-rich repeat, LRR）受体样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，公开转录组数据显示其在萌发后7天的主根中高表达，提示其在根系发育中的潜在作用。单倍型分析显示NCR和NSR的不同单倍型组间存在显著表型差异，鉴定出与性状改善相关的有利单倍型。
3.5 全基因组标记在遗传独立群体中具有更好的泛化能力和预测稳定性
在关联群体内，基于GWAS关联标记的基因组预测精度普遍高于全基因组SNP标记模型，其中3VmrMLM_QTN对所有RSA性状的预测精度最高，TR（0.82）、N2ndBR（0.77）和NLBR（0.77）的提升尤为明显。然而，在由156份自交系组成的独立验证群体中，全基因组SNP标记的预测精度在几乎所有性状上均优于GWAS关联标记，GWAS关联标记的预测精度显著下降，而全基因组标记模型保持了相对稳定的预测性能。这表明GWAS衍生标记可提高训练群体内的预测精度，但全基因组标记在遗传独立群体间具有更好的泛化能力和预测稳定性。
四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究构建的田间关联群体为玉米RSA研究提供了宝贵资源。与以往聚焦受控条件下幼苗性状的研究不同，本研究提供了成熟期RSA的田间遗传信息。玉米RSA的遗传架构复杂且依赖环境，BLINK和3VmrMLM的比较表明，单环境GWAS和多环境GWAS之间的表观不一致不应被解读为矛盾，而是反映了相当比例的RSA位点对环境背景敏感。环境因素不仅影响RSA性状的整体幅度，还改变不同根系类别间的分配模式：新疆干旱内陆环境促进胚后支撑根的产生，而海南湿润酸性砂壤土有利于胚生根系性状。AX-90556586及其候选基因GRMZM2G027958（编码BRI1/SOBIR1类LRR受体样激酶）代表了根系数量性状的一个有前景的受体样激酶位点，其环境依赖性行为提供了田间条件调节基因型效应的典型案例。GWAS标记在群体内预测中表现优越，而全基因组标记在跨群体预测中更具稳健性，表明前者适用于群体特异性预测和标记辅助选择，后者更适合在多样化育种群体中广泛应用。
研究结论：本研究表征了368份多样化玉米自交系在四个田间环境中成熟期RSA的自然变异、环境可塑性和遗传架构。通过BLINK和3VmrMLM模型进行GWAS，鉴定出4个被两种方法一致检测的主效位点和3个具有显著QTN-环境互作的额外位点。其中，第9号染色体上的AX-90556586反复关联节根和冠根性状，其候选基因GRMZM2G027958编码具有BRI1/SOBIR1特征的LRR受体样激酶，是一个生物学上合理的功能验证靶标。GWAS关联标记提高了群体内预测精度，支持其在标记辅助育种中的应用价值，而全基因组标记在多样化育种群体中提供了更强的稳健性。这些发现为理解玉米RSA和开展根系定向分子育种策略提供了遗传资源。
