《The Plant Genome》：High-resolution quantitative trait loci mapping and pyramiding effects of candidate genes for plant height in soybean
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本研究通過(guò)對(duì)重組自交系(RIL)群體在多種環(huán)境下進(jìn)行數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)定位，系統(tǒng)鑒定了大豆株高相關(guān)基因位點(diǎn)。研究人員基于高密度遺傳圖譜，定位到13個(gè)與株高相關(guān)的QTL，并篩選出4個(gè)在不同環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)的位點(diǎn)。進(jìn)一步通過(guò)單核苷酸多態(tài)性(SNP)注釋、基因表達(dá)模式與功能分析，確定TCP13、Dt2和Dt1為調(diào)控株高的關(guān)鍵候選基因。單倍型分析揭示這些基因的等位變異對(duì)株高具有顯著影響，且不同單倍型組合表現(xiàn)出明顯的累加效應(yīng)，為大豆理想株型育種提供了重要分子靶點(diǎn)與理論依據(jù)。
引言背景
大豆(Glycine max (L.) Merr.)作為重要的糧食與經(jīng)濟(jì)作物，為人類和牲畜提供植物蛋白與油脂。其株高是影響植株構(gòu)型與產(chǎn)量的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，解析株高的遺傳調(diào)控機(jī)制對(duì)培育理想株型的高產(chǎn)品種至關(guān)重要。株高作為典型的數(shù)量性狀，由多基因控制，并受到光、溫、土壤pH等環(huán)境因素的影響，但在給定條件下遺傳因素起主導(dǎo)作用。大豆株高主要由節(jié)間數(shù)目與節(jié)間長(zhǎng)度決定，減少節(jié)間數(shù)目會(huì)降低種植密度并影響結(jié)莢，而縮短節(jié)間長(zhǎng)度則有助于形成緊湊株型，共同導(dǎo)致株高降低與產(chǎn)量潛力變化。因此，大豆株高的QTL定位與候選基因挖掘?qū)硐胫晷脱芯颗c高產(chǎn)育種具有重要意義。
材料與方法
本研究利用株高差異顯著的品種中黃35（高稈）與中黃13（半矮稈）雜交衍生的192個(gè)F7:8代重組自交系(RIL)群體，在五個(gè)環(huán)境（2020SY、2021SY、2022BPC、2021CP、2023CP）下進(jìn)行表型評(píng)價(jià)。基于全基因組重測(cè)序(WGRS)構(gòu)建的高密度遺傳圖譜包含4879個(gè)bin標(biāo)記，采用 inclusive composite interval mapping (ICIM) 方法進(jìn)行QTL定位。對(duì)穩(wěn)定主效QTL區(qū)間內(nèi)的基因進(jìn)行注釋，結(jié)合親本單倍型中SNP的功能預(yù)測(cè)、基因表達(dá)模式與生物學(xué)功能分析篩選候選基因。通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)驗(yàn)證候選基因表達(dá)，并利用RIL群體與1484份大豆種質(zhì)資源進(jìn)行單倍型與累積效應(yīng)分析。
結(jié)果
1. 表型與遺傳變異分析
親本中黃35在各環(huán)境中株高均顯著高于中黃13。RIL群體株高呈現(xiàn)廣泛遺傳變異，變異系數(shù)(CV)在17.42%至29.66%之間，廣義遺傳力(h2)為95.86%，表明該性狀主要受遺傳因素控制。株高在群體中呈連續(xù)分布，符合多基因控制的數(shù)量性狀特征。
2. 大豆株高的QTL定位
共檢測(cè)到13個(gè)與株高相關(guān)的QTL，分布在7條染色體上。通過(guò)合并不同環(huán)境中位置相近（<5 cM）的QTL，鑒定出4個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的QTL：qPH5、qPH6-1、qPH18和qPH19-2。其中qPH6-1、qPH18和qPH19-2具有較高的表型貢獻(xiàn)率，被認(rèn)為是可能含有主效基因的位點(diǎn)。
3. 關(guān)鍵QTL區(qū)間的候選基因挖掘
通過(guò)對(duì)qPH6-1、qPH18和qPH19-2區(qū)間進(jìn)行基因注釋、SNP效應(yīng)預(yù)測(cè)與表達(dá)譜分析，結(jié)合基因功能注釋，篩選出強(qiáng)候選基因。
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在qPH6-1區(qū)間，基因Glyma.06G204300編碼TCP家族轉(zhuǎn)錄因子TCP13，該基因在親本間存在兩個(gè)錯(cuò)義SNP，可能導(dǎo)致蘇氨酸/絲氨酸和脯氨酸/絲氨酸的氨基酸替換。TCP家族是細(xì)胞增殖的關(guān)鍵調(diào)控因子，參與植物發(fā)育過(guò)程。
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在qPH18區(qū)間，基因Glyma.18G273600編碼MADS-box轉(zhuǎn)錄因子Dt2，該基因調(diào)控大豆莖稈生長(zhǎng)習(xí)性。在親本間鑒定出一個(gè)啟動(dòng)子區(qū)SNP和兩個(gè)錯(cuò)義SNP。
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在qPH19-2區(qū)間，基因Glyma.19G194300編碼TFL1同源蛋白Dt1，是調(diào)控大豆莖稈生長(zhǎng)習(xí)性、結(jié)莢習(xí)性與開(kāi)花時(shí)間的關(guān)鍵基因。親本間存在一個(gè)導(dǎo)致精氨酸/絲氨酸替換的錯(cuò)義SNP。
RT-qPCR分析顯示，Dt2和TCP13在親本間的表達(dá)存在顯著差異，而Dt1表達(dá)量很低且無(wú)顯著差異。
4. 候選基因的單倍型分析
在RIL群體與大豆種質(zhì)資源中，對(duì)Dt1、Dt2和TCP13進(jìn)行單倍型分析。
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Dt1基因中，Dt1單倍型（CC）植株在各環(huán)境中株高均顯著高于dt1單倍型（AA），平均高出21.93%。
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Dt2基因中，dt2單倍型（T）植株株高顯著高于Dt2單倍型（C），平均高出8.93%。
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TCP13基因中，TCP13-T單倍型植株在部分環(huán)境中株高顯著高于TCP13-C單倍型，平均高出6.23%。
在大豆種質(zhì)資源中，這些基因的單倍型對(duì)株高的影響趨勢(shì)與RIL群體基本一致，且效應(yīng)更為顯著。
5. 候選基因?qū)χ旮叩睦鄯e效應(yīng)
聯(lián)合單倍型分析揭示了Dt1、Dt2和TCP13對(duì)株高的累加效應(yīng)。
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在RIL群體中，Dt1/dt2單倍型組合（無(wú)限生長(zhǎng)型）植株最高，其次是Dt1/Dt2（半有限生長(zhǎng)型），dt1/dt2和dt1/Dt2（有限生長(zhǎng)型）植株較矮。值得注意的是，即使在dt1背景下，dt2等位基因仍對(duì)株高有正效應(yīng)。
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當(dāng)結(jié)合TCP13分析時(shí)，TCP13-T等位基因在Dt1/dt2、Dt1/Dt2及dt1/dt2背景下均能進(jìn)一步增加株高，表現(xiàn)出累加效應(yīng)。
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在大豆種質(zhì)資源中，Dt1/dt2/TCP13-T單倍型組合的植株株高最高，而Dt1/Dt2/TCP13-C組合的植株最矮。TCP13-T對(duì)株高的正效應(yīng)僅在無(wú)限和半有限生長(zhǎng)型背景下顯著，在有限生長(zhǎng)型背景下效應(yīng)不顯著，提示dt1與TCP13間可能存在上位性互作。
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對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性狀（單株莢數(shù)）的分析表明，攜帶高稈相關(guān)單倍型組合的植株往往結(jié)莢更多，表明這些基因組合也可能通過(guò)影響株高來(lái)影響大豆產(chǎn)量。
討論
本研究鑒定到的QTL多數(shù)與已報(bào)道的位點(diǎn)重疊，增強(qiáng)了結(jié)果的可靠性。TCP13（亦稱QNE1）是已知的開(kāi)花時(shí)間調(diào)控因子，可能通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期長(zhǎng)度來(lái)影響株高。Dt2通過(guò)直接結(jié)合Dt1啟動(dòng)子抑制其表達(dá)，共同決定莖稈生長(zhǎng)習(xí)性。Dt1是TFL1同源基因，主導(dǎo)無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性。這些基因的單倍型累積效應(yīng)分析為通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇優(yōu)化大豆株型提供了清晰路徑。本研究表明，通過(guò)聚合不同親本來(lái)源的有利等位基因（如來(lái)自中黃35的Dt1和來(lái)自中黃13的dt2、TCP13-T），可更有效地改良株高性狀。
結(jié)論
本研究共鑒定到13個(gè)大豆株高相關(guān)QTL，其中4個(gè)（qPH5、qPH6-1、qPH18、qPH19-2）在多環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)。通過(guò)綜合分析，將Dt1、Dt2和TCP13推測(cè)為調(diào)控株高的關(guān)鍵候選基因。單倍型分析證實(shí)了這些基因的等位變異對(duì)株高的顯著影響，且不同單倍型組合具有 distinct 的累加效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)為大豆理想株型的分子育種提供了有價(jià)值的基因靶點(diǎn)與理論指導(dǎo)。
