《Journal of Plant Interactions》：Genetic diversity assessment and marker-trait association for yield components in winter chickpea (Cicer Arietinum L.) genotypes using SSR markers
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提高鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）产量在半干旱地区（如乌兹别克斯坦）具有重要意义。本研究评估了38份冬季鹰嘴豆品种的遗传多样性及产量构成性状的标记-性状关联（MTAs），包括当地品种Iftikhor、Mustakillik以及来自国际鹰嘴豆精英
提高鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）产量在半干旱地区（如乌兹别克斯坦）具有重要意义。本研究评估了38份冬季鹰嘴豆品种的遗传多样性及产量构成性状的标记-性状关联（MTAs），包括当地品种Iftikhor、Mustakillik以及来自国际鹰嘴豆精英种质圃（CIENW）的样本。这些样本在产量构成性状上表现出较高的表型变异性，如单株荚数（48–100）、单株粒数（42–145）和千粒重（274.9–390.8 g），其特征为中粒和大粒类型。利用48个多态性SSR标记，分子分析共鉴定出150个等位基因（每个标记2至8个，平均3.0个）。群体结构分析（K = 4）表明存在遗传混杂。重要的是，SSR标记GA6、TA72和TAASH与单株粒数和粒重表现出显著相关性。通过计算机模拟分析（in silico），这些标记被定位到与产量相关的染色体区域，并鉴定出候选调控基因（ADNT1、DOF、WUSCHEL），为标记辅助选择（MAS）育种计划提供支持。
论文主体内容解读
一、研究背景与意义
鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）是一种偏好温和气候的豆科作物，广泛种植于全球干旱和半干旱地区，常面临不利气候条件的挑战。鹰嘴豆是人类饮食中蛋白质和氨基酸的重要来源，同时在动物饲料中也提供宝贵的能量和蛋白质。全球约有56个国家种植鹰嘴豆，种植面积约1780万公顷。然而，鹰嘴豆的产量受到多种非生物胁迫的严重制约，其中干旱导致全球鹰嘴豆产量减少约50%。此外，温度胁迫（过高或过低）会导致花/荚脱落和产量降低。在乌兹别克斯坦，鹰嘴豆主要种植在雨养田块中，科研基础相对薄弱。冬季鹰嘴豆品种比春季品种产量更高，但当地品种资源遗传基础狭窄，育种进程缓慢。因此，开展冬季鹰嘴豆遗传多样性评估、挖掘与产量性状显著关联的分子标记，对于提高育种效率、保障粮食安全具有重要意义。
二、研究内容与主要结论
本研究以38份Kabuli型冬季鹰嘴豆品种为材料（包括当地品种Iftikhor、Mustakillik及来自国际鹰嘴豆精英种质圃CIENW的样本），在2020–2022年三个生长季（3–6月）于乌兹别克斯坦共和国科学院遗传与植物实验生物学研究所Durmen试验站开展田间试验。三个生长季的水热条件差异显著：2020年春季水热条件最优（4月水热系数HTC=1.10），2021年持续缺水（HTC=0.57），2022年波动剧烈（4月HTC=0.15，5月回升至0.66），为评估基因型的表型稳定性和抗逆机制提供了理想的试验环境。
表型分析结果显示，供试材料平均株高76.5 cm，下部豆荚高度30.17 cm，样本以中高秆（70–78 cm）为主。单株荚数范围为48–100个，平均69.59个；单株粒数范围为42–145粒，平均83.90粒。千粒重范围为274.9–390.8 g，平均差异达115.9 g，样本属于中粒和大粒类型。依据千粒重划分，小粒样本占10.52%，中粒占42.1%，大粒占42.1%。
分子标记分析方面，利用50对SSR引物进行PCR扩增，其中48对引物表现出多态性，共扩增出150个等位基因，每个位点等位基因数2–8个，平均3.0个。多态性信息含量（PIC）范围为0.22–0.38，平均0.35，表明供试材料具有中等到较高的多态性水平。群体结构分析（STRUCTURE，K=4）将38份基因型分为4个亚群，分别包含9、11、8和10份材料，各亚群间存在明显的遗传混杂和基因流，没有基因型属于单一纯合簇，表明群体间存在广泛的遗传交流。
三、关键技术方法
研究人员采用以下主要技术方法开展研究：一是利用SSR分子标记技术对38份冬季鹰嘴豆品种进行遗传多样性评估；二是采用STRUCTURE v2.3.4软件基于贝叶斯聚类方法分析群体遗传结构；三是利用TASSEL v5.0软件分别通过广义线性模型（GLM）和混合线性模型（MLM）进行标记-性状关联分析（MTA）；四是采用计算机模拟PCR（in silico PCR）技术将关联标记定位到鹰嘴豆参考基因组，并结合AUGUSTUS基因预测和BLAST比对鉴定候选基因。
四、研究结果
遗传多样性评估（基于SSR标记）：利用CTAB法提取38份材料幼嫩叶片基因组DNA，经PCR扩增和电泳检测，48个多态性SSR标记共扩增出150个等位基因，每个位点等位基因数2–8个，平均3.0个。等位基因大小范围为90 bp（CASTMS2、CASTMS15）至500 bp（TA117）。PIC值范围为0.22–0.38，平均0.35。GAA47、NCPGR98和TA80标记表现出相对较高的PIC值，而TA25和TR31标记PIC值最低（0.22）。CASTMS2、TA18、TA25、TA200、TR29、TR31和NCPGR129等微卫星标记表现出相对较高的多态性。
群体结构与遗传多样性（基于SSR标记）：利用STRUCTURE软件进行群体结构分析，通过Evanno方法估算ΔK，确定最优群体数K=4。4个亚群分别包含9、11、8和10份基因型。基于Nei遗传距离构建的邻接树（NJ tree）与STRUCTURE聚类结果一致，分为4个主要类群，分别对应QⅠ（红色）、QⅡ（绿色）、QⅢ（蓝色）和QⅣ（黄色）四个遗传群体。成对遗传距离范围为0.025–0.05。未观察到属于单一纯合簇的基因型，表明群体间存在基因流和有益等位基因的分布。
NSP和SWP性状的关联图谱构建：利用GLM和MLM两种模型对单株粒数（NSP）和单株粒重（SWP）进行标记-性状关联分析。对于NSP性状，GLM分析共鉴定出10个标记（TA72_230、TA72_200、TAA170_270、TA30_191、TA130_240、GA16_240、GA16_250、GA6_153、TAASH_450、TAASH_500）与性状显著关联，P值范围为0.0005–0.01，R2值范围为0.164–0.284；MLM分析进一步确认其中5个标记（GA6_153、TA72_230、TA72_200、TAASH_450、TAASH_500）属于MTA。对于SWP性状，GLM分析同样鉴定出10个SSR标记与性状关联，P值范围为0.0006–0.022，R2值范围为0.136–0.279；MLM分析确认仅GA6_153标记属于MTA。其中，标记GA6_153在GLM和MLM分析中对NSP和SWP两个性状均表现出高度显著关联，是最为重要的标记。
产量SSR位点周围候选基因的预测与功能表征：对与产量性状显著关联的多态性SSR标记（GA6、TAASH、TA72）的正反向引物序列进行in silico PCR分析，将虚拟扩增产物精确定位到参考染色体上。对虚拟扩增产物±50 kb侧翼区域利用AUGUSTUS进行基因注释，并通过BLASTP比对预测蛋白序列。结果发现，GA6标记区域包含线粒体腺嘌呤核苷酸转运蛋白ADNT1的X1异构体以及与车轴草（Trifolium pratense）COP1互作蛋白1类似的蛋白，这些蛋白在缺氧等胁迫响应中发挥重要作用，参与调节线粒体中腺嘌呤核苷酸比例，并影响脱落酸（ABA）信号传导。TA72标记区域涉及锌指蛋白DOF3.6-like和WUSCHEL相关同源异型盒蛋白5的合成，这些蛋白参与开花期细胞质体调控、植物发育以及细胞分裂过程中染色体的正确分离。
五、讨论部分总结
本研究证实，鹰嘴豆的有效分枝对产量具有正向促进作用，一级和二级分枝的存在不仅提高产量，还直接影响单株荚数。高遗传力和遗传潜力在鹰嘴豆群体中体现在二级分枝数、荚数、千粒重、籽粒产量和单株粒重等性状上，且受加性基因控制。利用48个多态性SSR标记分析分子多样性，鉴定出150个等位基因，平均每个位点3.0个，平均PIC值（0.35）和遗传多样性指数（0.45）反映了中等到较高的多态性水平。群体结构分析表明4个亚群之间存在遗传混杂和基因流，这种混合增强了鹰嘴豆群体对各种胁迫的适应性。MTA分析中，GLM分析鉴定出的GA6_153标记在MLM分析中对NSP和SWP性状均具有统计学高度显著性，表明该标记在决定产量方面具有遗传作用。本研究中鉴定出的可靠标记GA6、TA72和TAASH与已有研究中的关联作图和QTL分析结果一致。In silico分析揭示这些基因组位点与重要候选基因（ADNT1、DOF、WUSCHEL）紧密连锁，其中DOF转录因子家族调控豆科植物的碳代谢和根系发育，直接影响种子大小和胁迫响应；WUSCHEL在维持茎尖分生组织特性和花器官发育中发挥核心作用，这可能解释观察到的产量构成性状变异。
六、研究结论
本研究结果表明，冬季鹰嘴豆基因型中存在遗传和表型多样性，以及由四个亚群组成的丰富遗传结构（混杂）。通过结合GLM和严格的MLM模型，成功鉴定出与关键产量性状（千粒重、粒数和粒重）稳定关联的SSR标记（如GA6和TA72）。In silico分析证实了这些标记附近存在重要的候选基因（包括ADNT1和DOF锌指蛋白），它们负责控制植物产量和对非生物胁迫的耐受性。总体而言，本研究鉴定的标记将为未来通过标记辅助选择（MAS）育种计划开发高产、气候适应性强的鹰嘴豆新品种提供坚实的科学基础。
