《Tree Genetics & Genomes》：Genome-wide association analysis of ecologically essential traits in Picea crassifolia
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为解析青海云杉(Picea crassifolia)关键性状遗传基础、克服其传统育种周期过长瓶颈，本文开展了木材、针叶及生长性状的全基因组关联分析(GWAS)。基于祁连山106个无性系的研究发现了与9个性状显著关联的84个SNP标记，鉴定出10个候选基因，部分基因涉及植物形态调控，为未来分子育种提供了宝贵的遗传工具。
在广袤的祁连山脉，生长着一种名为青海云杉(Picea crassifolia)的独特常绿树种。作为中国的特有物种，它不仅是一道靓丽的风景线，更在调节区域生态平衡中扮演着至关重要的角色。然而，面对气候变化和人类活动的影响，如何提升这种树种的经济与生态价值，成为了科研人员亟待解决的难题。传统的育种方法，如优选单株杂交，对于青海云杉这类世代周期长、遗传杂合度高的树种来说，效率低下，进展缓慢。核心问题在于，我们对其关键性状（如木材密度、针叶形态、生长速度）的遗传基础知之甚少。尽管已有研究关注其种群结构和环境适应性，但将木材、针叶和生长等多类性状整合在一起的系统遗传研究仍属空白。这种认知上的局限，严重阻碍了青海云杉种子园的建设和分子育种的发展。因此，深入探索青海云杉关键性状的遗传变异及其背后的分子机制，成为解锁其育种潜力、应对环境挑战的关键。
为了回答这些问题，一篇发表于《Tree Genetics》的研究《Genome-wide association analysis of ecologically essential traits in Picea crassifolia》应运而生。该研究团队从祁连山区的核心自然分布区收集了106个青海云杉无性系作为研究材料，并建立了一个无性系种子园。研究旨在通过全基因组关联分析(GWAS)，系统评估木材、针叶及生长这三类重要性状，以期阐明其遗传基础。研究团队测量了17项木材性状（如管胞长度、管胞腔径、晚材率）、7项针叶性状（如针叶长度、宽度、干重）和4项生长性状（树高、地径、冠幅、年高生长量），利用基于特异性位点扩增片段测序(SLAF-seq)技术开发了全基因组水平的单核苷酸多态性(SNP)标记，并运用一般线性模型(GLM)和混合线性模型(MLM)进行关联分析，最终筛选出与性状显著关联的SNP标记并挖掘了邻近的候选基因。
木材和针叶性状在青海云杉中表现出高表型变异
研究发现，青海云杉无性系在木材和针叶性状上存在显著的表型变异，所有性状的平均变异系数(CV)为20.79%。其中，木材性状的平均CV（22.97%）高于针叶性状（15.49%），表明木材性状可能受环境影响更大。例如，早材管胞壁腔比的变异系数高达89.47%，而针叶含水量的变异系数最低，为5.52%。对性状频率分布的分析表明，大多数性状符合单峰正态分布，表明它们是典型的数量性状，受多基因控制，适合进行GWAS分析。相关性分析显示，大多数木材性状之间以及大多数针叶性状之间均存在显著（P< 0.05）或极显著（P< 0.01）的相关性，而大多数木材与针叶性状之间的相关性通常不显著，暗示这两类性状可能由不同的遗传机制控制。例如，针叶厚度与鲜重、干重、长宽比及含水量呈显著正相关。
性状与SNP的关联分析
通过GWAS，研究团队使用GLM方法识别出84个SNP分子标记与9个表型性状在P< 0.05水平上显著关联，而MLM方法未检测到显著关联。这些SNP位点对表型变异的解释率（即R2值）介于24.34%至50.30%之间。其中，13个SNP标记与两个或更多性状相关联，这可能是性状间表型相关性的遗传基础，反映了基因的多效性。特别值得一提的是，有18个SNP标记在GLM和MLM两种方法中均被一致检测到，这增加了这些关联的可靠性。
候选基因的鉴定
为了深入理解这些遗传标记的功能，研究在显著关联的SNP位点上下游100千碱基对(kb)区域内进行了候选基因挖掘，共鉴定出10个候选基因。例如，与生长轮宽度显著关联的基因MA_35620g0010被预测编码生长激素调控的TBC蛋白1；与晚材宽度关联的基因MA_10430313g0010编码翻译起始因子；与针叶鲜重、干重和厚度关联的基因MA_92129g0010则编码一个参与植物细胞器基因表达调控的五肽重复序列(PPR)蛋白。这些基因的功能预测为理解木材形成和针叶发育的分子调控网络提供了线索。
生长性状的关联分析
同样，对生长性状的关联分析也取得了丰硕成果。应用GLM方法，共发现109、23和56个SNP标记分别与15年和20年生的树高(TH)、地径(GD)和冠幅(CW)的克隆平均值显著相关。MLM方法则识别出较少但更为保守的关联标记（TH：18个，GD：8个，CW：9个）。有16个SNP标记与多个生长性状相关，且在不同年份间被稳定检测到。最终，10个相关的候选基因被鉴定出来，其中包括预测编码BolA-like蛋白的MA_129402g0010，该蛋白参与细胞应激反应，可能对生长调控有所贡献。
综上所述，本研究揭示了青海云杉在木材、针叶和生长性状上存在丰富的表型变异，并利用GWAS成功定位了大量与其显著关联的SNP标记和候选基因。这些发现为青海云杉的遗传改良提供了宝贵的分子工具和理论基础。尽管研究地点（海拔1700米的半干旱气候）可能筛选出与干旱适应性相关的性状标记，且研究仅评估了15年和20年生的性状，未能涵盖成熟后期（如心材形成）的转变，但本研究的成果无疑为未来的分子标记辅助选择育种铺平了道路。识别出的SNP标记和候选基因，特别是那些涉及植物形态调控的基因，可作为未来育种计划中有价值的工具，有望显著缩短育种周期，提高青海云杉的遗传改良效率，对于培育适应性强、生态与经济价值更高的青海云杉品种具有重要意义。未来的研究需要在不同生态区（如高海拔与低地）的后代试验中验证这些SNP的稳定性，并评估30龄以后性状与SNP关联的持久性，以推动研究成果的实际应用。
