《The Plant Genome》：High-resolution quantitative trait loci mapping and pyramiding effects of candidate genes for plant height in soybean
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本研究通过对重组自交系(RIL)群体在多种环境下进行数量性状位点(QTL)定位，系统鉴定了大豆株高相关基因位点。研究人员基于高密度遗传图谱，定位到13个与株高相关的QTL，并筛选出4个在不同环境中稳定表达的位点。进一步通过单核苷酸多态性(SNP)注释、基因表达模式与功能分析，确定TCP13、Dt2和Dt1为调控株高的关键候选基因。单倍型分析揭示这些基因的等位变异对株高具有显著影响，且不同单倍型组合表现出明显的累加效应，为大豆理想株型育种提供了重要分子靶点与理论依据。
引言背景
大豆(Glycine max (L.) Merr.)作为重要的粮食与经济作物，为人类和牲畜提供植物蛋白与油脂。其株高是影响植株构型与产量的关键农艺性状，解析株高的遗传调控机制对培育理想株型的高产品种至关重要。株高作为典型的数量性状，由多基因控制，并受到光、温、土壤pH等环境因素的影响，但在给定条件下遗传因素起主导作用。大豆株高主要由节间数目与节间长度决定，减少节间数目会降低种植密度并影响结荚，而缩短节间长度则有助于形成紧凑株型，共同导致株高降低与产量潜力变化。因此，大豆株高的QTL定位与候选基因挖掘对理想株型研究与高产育种具有重要意义。
材料与方法
本研究利用株高差异显著的品种中黄35（高秆）与中黄13（半矮秆）杂交衍生的192个F7:8代重组自交系(RIL)群体，在五个环境（2020SY、2021SY、2022BPC、2021CP、2023CP）下进行表型评价。基于全基因组重测序(WGRS)构建的高密度遗传图谱包含4879个bin标记，采用 inclusive composite interval mapping (ICIM) 方法进行QTL定位。对稳定主效QTL区间内的基因进行注释，结合亲本单倍型中SNP的功能预测、基因表达模式与生物学功能分析筛选候选基因。通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)验证候选基因表达，并利用RIL群体与1484份大豆种质资源进行单倍型与累积效应分析。
结果
1. 表型与遗传变异分析
亲本中黄35在各环境中株高均显著高于中黄13。RIL群体株高呈现广泛遗传变异，变异系数(CV)在17.42%至29.66%之间，广义遗传力(h2)为95.86%，表明该性状主要受遗传因素控制。株高在群体中呈连续分布，符合多基因控制的数量性状特征。
2. 大豆株高的QTL定位
共检测到13个与株高相关的QTL，分布在7条染色体上。通过合并不同环境中位置相近（<5 cM）的QTL，鉴定出4个稳定表达的QTL：qPH5、qPH6-1、qPH18和qPH19-2。其中qPH6-1、qPH18和qPH19-2具有较高的表型贡献率，被认为是可能含有主效基因的位点。
3. 关键QTL区间的候选基因挖掘
通过对qPH6-1、qPH18和qPH19-2区间进行基因注释、SNP效应预测与表达谱分析，结合基因功能注释，筛选出强候选基因。
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在qPH6-1区间，基因Glyma.06G204300编码TCP家族转录因子TCP13，该基因在亲本间存在两个错义SNP，可能导致苏氨酸/丝氨酸和脯氨酸/丝氨酸的氨基酸替换。TCP家族是细胞增殖的关键调控因子，参与植物发育过程。
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在qPH18区间，基因Glyma.18G273600编码MADS-box转录因子Dt2，该基因调控大豆茎秆生长习性。在亲本间鉴定出一个启动子区SNP和两个错义SNP。
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在qPH19-2区间，基因Glyma.19G194300编码TFL1同源蛋白Dt1，是调控大豆茎秆生长习性、结荚习性与开花时间的关键基因。亲本间存在一个导致精氨酸/丝氨酸替换的错义SNP。
RT-qPCR分析显示，Dt2和TCP13在亲本间的表达存在显著差异，而Dt1表达量很低且无显著差异。
4. 候选基因的单倍型分析
在RIL群体与大豆种质资源中，对Dt1、Dt2和TCP13进行单倍型分析。
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Dt1基因中，Dt1单倍型（CC）植株在各环境中株高均显著高于dt1单倍型（AA），平均高出21.93%。
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Dt2基因中，dt2单倍型（T）植株株高显著高于Dt2单倍型（C），平均高出8.93%。
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TCP13基因中，TCP13-T单倍型植株在部分环境中株高显著高于TCP13-C单倍型，平均高出6.23%。
在大豆种质资源中，这些基因的单倍型对株高的影响趋势与RIL群体基本一致，且效应更为显著。
5. 候选基因对株高的累积效应
联合单倍型分析揭示了Dt1、Dt2和TCP13对株高的累加效应。
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在RIL群体中，Dt1/dt2单倍型组合（无限生长型）植株最高，其次是Dt1/Dt2（半有限生长型），dt1/dt2和dt1/Dt2（有限生长型）植株较矮。值得注意的是，即使在dt1背景下，dt2等位基因仍对株高有正效应。
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当结合TCP13分析时，TCP13-T等位基因在Dt1/dt2、Dt1/Dt2及dt1/dt2背景下均能进一步增加株高，表现出累加效应。
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在大豆种质资源中，Dt1/dt2/TCP13-T单倍型组合的植株株高最高，而Dt1/Dt2/TCP13-C组合的植株最矮。TCP13-T对株高的正效应仅在无限和半有限生长型背景下显著，在有限生长型背景下效应不显著，提示dt1与TCP13间可能存在上位性互作。
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对产量相关性状（单株荚数）的分析表明，携带高秆相关单倍型组合的植株往往结荚更多，表明这些基因组合也可能通过影响株高来影响大豆产量。
讨论
本研究鉴定到的QTL多数与已报道的位点重叠，增强了结果的可靠性。TCP13（亦称QNE1）是已知的开花时间调控因子，可能通过调节营养生长期长度来影响株高。Dt2通过直接结合Dt1启动子抑制其表达，共同决定茎秆生长习性。Dt1是TFL1同源基因，主导无限生长习性。这些基因的单倍型累积效应分析为通过分子标记辅助选择优化大豆株型提供了清晰路径。本研究表明，通过聚合不同亲本来源的有利等位基因（如来自中黄35的Dt1和来自中黄13的dt2、TCP13-T），可更有效地改良株高性状。
结论
本研究共鉴定到13个大豆株高相关QTL，其中4个（qPH5、qPH6-1、qPH18、qPH19-2）在多环境中稳定表达。通过综合分析，将Dt1、Dt2和TCP13推测为调控株高的关键候选基因。单倍型分析证实了这些基因的等位变异对株高的显著影响，且不同单倍型组合具有 distinct 的累加效应。这些发现为大豆理想株型的分子育种提供了有价值的基因靶点与理论指导。
