四倍体马铃薯块茎休眠的全基因组关联分析与基因组选择育种

《The Plant Genome》：Genome-wide association studies and genomics-informed breeding for tuber dormancy in tetraploid potatoes

这篇综述探讨了四倍体马铃薯块茎休眠期的表型变异、遗传基础与育种应用。通过全基因组关联研究(GWAS)鉴定出7条染色体上与休眠长度相关的数量性状位点(QTL)，并利用基因组选择(GS)预测了基因组估计育种值(GEBV)，为延长块茎贮藏期、减少采后损失提供了关键分子工具。

　　

1 引言

马铃薯(Solanum tuberosum L.)是全球第三大粮食作物。收获后，块茎进入休眠状态，即使条件适宜也不会萌芽。休眠期过短会导致块茎在贮藏期间过早发芽，造成品质下降乃至完全腐烂。传统的发芽控制方法如低温贮藏和化学抑制剂(如CIPC)成本高昂，且可能带来健康和环境风险。因此，培育具有长休眠期的马铃薯品种对减少采后损失具有重要意义。块茎休眠长度受基因型、生长环境、贮藏条件等多种因素影响。由于栽培马铃薯主要为同源四倍体(2n=4x=48)，遗传研究面临挑战。先前基于二倍体材料的研究已鉴定出多个与休眠相关的QTL，但将其应用于四倍体育种存在困难。近年来，随着测序技术、分子标记平台和分析工具的进步，为研究四倍体马铃薯的复杂遗传学提供了可能。

2 材料与方法

2.1 植物材料：研究使用了两个四倍体马铃薯基因型群体。第一组(面板一)包含216个基因型，于2019-2021年在德克萨斯州的Springlake和Dalhart两地种植。第二组(面板二)包含82个新基因型，于2022年种植。两组共计298个独特基因型，涵盖五个市场类型：褐皮(89个)、炸片用(52个)、红皮(90个)、黄皮(43个)和紫皮(24个)。

2.2 基因分型：使用Illumina Infinium马铃薯SNP阵列进行基因分型。经过滤后，共有13,970个标记用于基因组分析。

2.3 田间试验与表型鉴定：块茎收获后，分别在室温(18°C)和冷藏(4°C)条件下储存。每周观察发芽情况，以至少四分之三的块茎出现≥2 mm芽体(即“露白”)为休眠结束的标志。休眠长度计算从杀秧之日起至休眠结束的天数。

2.4 统计分析：使用混合模型进行方差分析，评估基因型、地点、年份、贮藏条件及其互作对休眠长度的影响。使用META-R软件估算各环境下的基因型最佳线性无偏估计(BLUE)。使用R包StageWise估算方差分量，并计算广义遗传力(H²)和狭义遗传力(h²)。

2.5 连锁不平衡与全基因组关联研究：使用R包GWASpoly进行GWAS分析，采用“K模型”控制群体结构，并使用“留一染色体法”(LOCO)提高计算效率。使用“M.eff”方法设定5%的基因组范围错误发现率阈值。通过QQ图和曼哈顿图展示结果。在峰值SNP两侧2 Mb区域内搜索候选基因。

2.6 基因组预测：使用StageWise软件通过两阶段方法为292个基因型计算基因组估计育种值(GEBV)。

2.7 交叉验证：进行了三种交叉验证：年度间交叉验证、市场类型内交叉验证(以褐皮为例)和随机抽样交叉验证，以评估基因组预测模型的可靠性。

2.8 块茎休眠与其他性状的相关性：评估了块茎休眠长度与农艺及品质性状(如氨基酸含量、矿物质含量、产量、比重等)之间的Spearman秩相关系数。

3 结果

3.1 块茎休眠长度的表型变异：基因型和基因型×环境互作对休眠长度有极显著影响。地点效应显著，Dalhart产块茎的休眠期显著长于Springlake产块茎。贮藏条件效应极显著，冷藏显著延长了休眠期。市场类型间差异显著，褐皮马铃薯在大多数地点-贮藏组合中休眠期最长，黄皮马铃薯则最短。当所有环境数据合并分析时，贮藏条件解释了最高的表型变异(71.6%)。当分别分析时，室温下基因型解释的变异最高(59.7%)，而冷藏下基因型(22.6%)、地点(27.7%)和基因型×地点互作(20.0%)均解释了显著比例的表型变异。广义遗传力在0.64-0.86之间，狭义遗传力在0.46-0.80之间，表明休眠长度具有中等至高的遗传率，适合进行遗传研究。在室温贮藏下，休眠长度从28天到176天不等；在冷藏下，从58天到214天不等。表型分布显著偏离正态。

3.2 全基因组关联研究与数量性状位点鉴定：GWAS在7条染色体(1、2、3、5、6、9、11)上鉴定出12个与块茎休眠长度显著相关的QTL，每个QTL最多解释了11.8%的表型变异。其中，位于6号染色体57.2 Mb处的SNP标记PotVar0057253解释了最高的表型变异(11.8%)。对于三个QTL，其显性等位基因缩短休眠期；对于其余八个QTL，显性等位基因延长休眠期。值得注意的是，位于1号染色体上的SNP solcap_snp_c2_21216在多个环境中被重复检测到。候选基因搜索发现，QTL附近的基因多与糖代谢、激素信号和细胞周期调控相关。

3.3 块茎休眠的基因组预测：基因组预测模型显示出对块茎休眠长度的良好预测能力。基于所有环境和市场类型的训练集，对2022年新测试基因型的预测可靠性(r²)约为0.5。交叉验证结果表明，使用更广泛、更多样化的训练群体(即包含所有市场类型)比仅使用单一市场类型(如褐皮)内的训练集，能获得更高且更稳定的预测可靠性。具有高GEBV的基因型可作为延长休眠期的潜在育种亲本。

3.4 块茎休眠与其他性状的相关性：休眠长度与多数农艺和品质性状之间未发现显著的相关性，表明延长休眠期可能不会对其他重要经济性状产生负面影响。

核心观点

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  在马铃薯高级育种材料中观察到块茎休眠长度存在广泛变异(室温18°C下28-176天；冷藏4°C下58-214天)。
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  块茎休眠在基因型、田间地点、贮藏条件和市场类型间存在显著差异。
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  在七条染色体上检测到的QTL各自最多解释了11.8%的表型变异。
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  QTL附近的候选基因与糖、激素和细胞周期相关，暗示了复杂的调控通路。
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  针对休眠长度的基因组估计育种值(GEBV)有助于在育种计划中选择亲本和推进基因型。