全基因组关联研究揭示区域性大豆种质株型性状的环境依赖性遗传关联

《The Plant Genome》：Genome-wide association studies reveal environment-dependent genetic associations for plant architecture in regional soybean germplasm

　　

研究人员针对区域性大豆(Glycine max (L.) Merr.)育种形成的适应不同生长季的种质，其株型相关遗传关联的跨群体可转移性尚不明确这一问题，在两个中国种质池共520份大豆 accession 中开展全基因组关联研究(GWAS)。其中坝上(Bashang)群体含260份来自东北地区的短生育期冷凉气候种质，坝下(Baxia)群体含260份来自黄淮海地区长生育期暖温气候种质，各群体在其对应环境中连续评价两季。群体遗传学分析显示两群体分化强烈，固定指数(FST)=0.29，坝上群体期望杂合度(He)=0.0808，显著低于坝下的0.1538，反映了不同的育种历史。表型上，坝下植株株高较坝上高94.7%，主茎节数多88.2%，差异广义遗传力(H2)达0.77–0.97。采用多种模型开展的GWAS鉴定出无重叠的位点：坝上株高关联位点位于第4、7、12号染色体，对数优势比(LOD)为7.44–9.88，效应为+1.68至+2.06 cm，其中第12号染色体位点分化程度极高(FST=0.498)；坝下株高主效位点位于第4号染色体，效应+6.65 cm(LOD=7.90)，距坝上第4号染色体位点约38 Mb，主茎节数关联位点位于第19号染色体，效应+1.30节(LOD=7.18)，邻近成熟基因E3/Dt1(其中Dt1为determinate 1 gene，决定大豆生长习性)。功能分析显示坝上候选基因参与DNA代谢，坝下候选基因关联细胞发育与激素调控，表明两群体通过不同发育通路调控株型。各位点分化指标的差异提示选择、基因-环境互作等多种进化过程的作用。该结果强调株型遗传关联具有群体特异性，影响分子标记的可转移性，需针对不同区域环境制定定制化育种策略。

该研究发表于《The Plant Genome》，聚焦中国大豆主产区生态型分化的遗传基础这一核心科学问题。当前大豆株型遗传研究多基于单一或混合群体，未充分考虑群体结构与区域适应性的耦合作用，导致跨群体标记可转移性不明，制约了区域性精准育种的开展。研究人员以中国东北短季冷凉区坝上种质与黄淮海长季暖温区坝下种质为对象，通过匹配其原生环境的多年田间评价与多模型全基因组关联分析，系统解析了株高与主茎节数的遗传架构，明确了群体特异性位点的功能分化与进化机制，为区域适配性育种提供了关键理论支撑。

研究采用的关键技术方法包括：构建两个区域性大豆种质队列（坝上260份、坝下260份），分别在河北坝上（42°06′N，海拔1400 m）与河北坝下（38°1′25″N，海拔50 m）开展两年随机区组田间试验，于R8成熟期测定株高与主茎节数；利用简化基因组测序获得34935个高质量SNP标记，通过主成分分析、系统发育树、连锁不平衡(LD)衰减与固定指数(F_ST)分析群体遗传结构；采用贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套算法(BLINK)开展全基因组关联研究，整合GWAS信号与群体分化指标，并对候选基因进行基因本体(GO)富集分析。

研究结果如下：

3.1 株型性状的表型变异与遗传力

坝下群体株高平均89.76 cm，较坝上群体高94.7%；主茎节数平均18.27节，较坝上高88.2%。两群体表型均呈正态分布，广义遗传力(H²)为0.77–0.97，表明性状受遗传控制强烈，适合开展GWAS。

3.2 群体遗传结构与分化

主成分分析(PCA)显示前两个主成分解释19.23%的变异，两群体完全分离，系统发育树形成两个单系分支，证实存在显著的基因组分化。

3.3 连锁不平衡衰减模式差异

坝下群体LD水平更低，r²降至0.2的距离为110 kb，坝上为170 kb，反映坝下遗传多样性更高、历史重组更充分，与育种史中坝上经历瓶颈、坝下保留更多奠基者变异一致。

3.4 群体遗传多样性与分化指数

全局F_ST=0.2924，213个SNP（占0.61%）处于基因组前1%分化水平，在染色体13、7、3形成分化热点。坝下期望杂合度(H_e)、次要等位基因频率(MAF)与核苷酸多样性(π)均为坝上的约2倍，量化了两群体的多样性差异。

3.5 亲缘关系结构揭示差异化亲缘模式

两群体内均存在亚群结构，坝上亚群边界更清晰、亲缘关系更集中，坝下亚群分布更分散、亲缘结构更复杂，与多样性分析结果吻合。

3.6 全基因组关联分析鉴定出种质-环境特异的位点

两群体无重叠关联位点：坝上株高由第4、7、12号染色体3个位点控制，效应+1.68至+2.06 cm；坝下株高主效位点位于第4号染色体（效应+6.65 cm），主茎节数位点位于第19号染色体（效应+1.30节）。两群体第4号染色体位点相距约38 Mb，为独立位点。坝下第19号染色体位点邻近E3与Dt1基因，表现出年度间性状切换（2023年为株高关联，2024年为主茎节数关联），符合成熟基因的经典多效性特征。

3.7 GWAS信号与遗传分化模式的整合

关联位点的F_ST值跨度大，既有高分化位点（如坝上第12号染色体位点F_ST=0.498），也有低分化位点，表明群体特异性关联由等位基因频率变异、LD模式与环境因子共同驱动。

3.8 群体特异性候选基因的功能分化

基因本体(GO)富集显示，坝上候选基因显著富集于复制叉保护复合物(GO:0031298)与DNA拓扑异构酶功能，坝下候选基因富集于细胞形态发生与生长调控（名义显著），提示两群体通过不同生物学通路调控株型。

讨论部分指出，非重叠GWAS信号反映了生态型分化的遗传异质性与基因-环境互作，坝上多基因控制、坝下单基因主效的模式与各自育种史匹配。分化热点区域可能经历了定向选择，功能富集差异体现了短季冷凉与长季暖温环境下不同的适应性策略。研究强调了区域特异性育种的必要性：坝上应利用第4、7、12号染色体位点，兼顾早熟与抗冷性；坝下应利用第4号染色体主效位点，同时监控第19号染色体位点的多效性影响。标记跨群体转移需经过多代回交重塑背景，基因组选择模型需纳入群体与环境特异性效应。

结论部分明确：两个区域性大豆种质的株型遗传架构完全分化，坝上株高由3个中等效应位点控制，坝下株高与主茎节数分别由第4、19号染色体主效位点控制，第19号染色体位点表现出年度间性状切换。两群体遗传分化显著(F_ST=0.29)，坝下遗传多样性约为坝上的2倍。功能分析揭示了DNA代谢与细胞发育两条差异化通路。该研究证实株型遗传关联具有强烈的群体与环境特异性，不可直接跨区推广，为大豆区域性精准育种提供了核心位点与理论依据。