《The Plant Genome》：Genome-wide association studies of a pea germplasm reveal novel markers and candidate genes implicated in resistance to Fusarium oxysporum f. sp. pisi races 1 and 2
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豌豆（Pisum sativum L.）是一种全球广泛种植的重要豆科作物，可作粮食和饲料。然而，其生产受到拟轮枝镰孢菌（Fusarium oxysporum f. sp. pisi，Fop）的严重制约。培育抗病品种是最有效的管理策略，但Fop抗性的遗传基础尚不
豌豆（Pisum sativum L.）是一种全球广泛种植的重要豆科作物，可作粮食和饲料。然而，其生产受到拟轮枝镰孢菌（Fusarium oxysporum f. sp. pisi，Fop）的严重制约。培育抗病品种是最有效的管理策略，但Fop抗性的遗传基础尚不清楚。以往的数量性状位点（Quantitative Trait Locus, QTL）定位已鉴定出若干与Fop抗性相关的基因组区域，但标记与性状间较大的遗传距离阻碍了标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS）的实施。为解析Fop小种1和2的候选基因，研究人员对324份豌豆核心种质应用多样阵列技术（Diversity Array Technology, DArT）标记进行全基因组关联研究（Genome-Wide Association Study, GWAS）。该核心种质的表型鉴定在可控生长室条件下进行，采用324 × 3 × 7的析因设计开展三个独立实验。研究人员对种质材料进行接种后，随时间量化病害发生率，以病害进展曲线下面积（Area Under the Disease Progress Curve, AUDPC）作为主要表型分析指标。表型结果揭示了数量性反应，并表明野生近缘种和地方品种是Fop抗性的有利资源库。利用26,045个DArT标记和三种不同模型进行的GWAS检测到15个与Fop小种1抗性相关的标记-性状关联（Marker-Trait Association, MTA）和27个与Fop小种2抗性相关的MTA。这些MTA分布于六条豌豆染色体上，其中多个位于此前四个Fop抗性位点的置信区间内，从而精确定位了这些位点。此外，在Fop抗性相关标记附近鉴定出28个潜在候选基因，包括编码逆转录酶、外囊复合体（exocyst）和保守寡聚高尔基体复合体（Conserved Oligomeric Golgi, COG）亚基、FERONIA类受体激酶、高丝氨酸激酶、热激蛋白70、三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, ATP）转运蛋白以及多种转录因子和植物防御相关蛋白的基因。这些推定基因和分子通路为Fop的可持续管理奠定了基础。
该研究发表于《The Plant Genome》，旨在解决豌豆生产中受Fop严重制约的关键问题。Fop可引起80%–100%的产量损失，其厚垣孢子在土壤中可存活多年，一旦定殖便难以控制。此前研究表明，Fop小种1的抗性呈单基因遗传，由特异性R基因控制；而小种2的抗性为数量遗传。尽管已有研究通过QTL定位鉴定了若干抗性位点，但标记与抗性位点间遗传距离较大，限制了MAS的实际应用。此外，现有抗性主要依赖易丧失的单基因抗性，难以应对病原菌的持续进化。因此，深入解析Fop抗性的遗传基础、发掘紧密连锁的分子标记和候选基因，对于培育持久抗性品种具有重要意义。
研究人员开展了以下研究：以324份来源广泛的豌豆核心种质为材料，在可控条件下对其Fop小种1和小种2的抗性进行精准表型鉴定；利用DArTseq标记进行基因分型，结合群体结构分析，采用三种GWAS模型进行全基因组关联分析；在显著关联标记附近搜索候选基因，并解析其潜在功能。研究得出以下主要结论：Fop小种1的抗性呈现数量遗传特征，打破了此前认为的简化遗传模式；鉴定到42个显著MTA，分布于六条染色体，其中多个位点精确定位了先前QTL的置信区间；发现28个候选基因，涉及多种植物防御相关通路。该研究首次在豌豆中开展Fop抗性的GWAS，为理解抗性分子机制、开发高效分子标记和培育持久抗性品种提供了重要基础。
研究人员用到的主要关键技术方法包括：样本为来自全球多个种质库（USDA、JIC、CRF、CGN、IPK、ICARDA）的324份豌豆核心种质，涵盖多个Pisum物种和亚种；采用DArTseq技术进行高通量基因分型，获得26,045个多态性SilicoDArT标记；基于AUDPC和最佳线性无偏预测（Best Linear Unbiased Prediction, BLUP）进行表型数据整合；运用判别分析主成分（Discriminant Analysis of Principal Components, DAPC）评估群体结构；采用混合线性模型（Mixed Linear Model, MLM）、FarmCPU和BLINK三种GWAS模型进行关联分析，结合Bonferroni校正和错误发现率（False Discovery Rate, FDR）控制多重检验；在显著标记附近基于连锁不平衡（Linkage Disequilibrium, LD）衰减距离搜索候选基因，并进行功能注释分析。
研究结果部分：
表型变异分析：豌豆核心种质对Fop小种1的抗性表型变异。通过三个独立重复实验，研究人员发现表型数据呈连续分布，BLUP值介于172至1604之间，广义遗传力（H
2）达0.75。Welch方差分析确认材料间差异显著（p < 0.001），将材料划分为60份抗病、194份中抗和70份感病类型。野生种Pisum elatius var. elatius表现最优抗性。
表型变异分析：豌豆核心种质对Fop小种2的抗性表型变异。该小种引起更严重的病害，但同样呈现连续变异。BLUP分析的相关系数提升至0.81–0.91，H
2达0.85。30份材料表现抗病，97份中抗，197份感病。Pisum fulvum对该小种抗性最佳。
不同Pisum物种和亚种对Fop小种1和2的反应。按物种和亚种分组分析揭示显著差异（p < 0.001）。P. abyssinicum和"印度生态型"最感病，而野生种P. elatius和P. fulvum分别为两个小种的最佳抗性来源。P. sativum subsp. sativum和subsp. humile表现中等抗性。Fop小种2的致病性显著强于小种1。
豌豆多样性群体的群体结构分析。DAPC分析将群体划分为六个簇群，与物种分类高度一致：簇1为P. elatius var. pumilio；簇2包含P. fulvum、P. abyssinicum和P. elatius var. elatius；簇3为"印度生态型"；簇4为P. sativum var. arvense；簇5为栽培P. sativum var. sativum；簇6为P. sativum subsp. jomardii。第一主轴区分野生种与地方品种，部分簇群间存在渐渗。
Fop小种1和2抗性的标记-性状关联分析。GWAS共鉴定到15个Fop小种1抗性MTA和27个小种2抗性MTA，分布于六条染色体。FarmCPU模型检测效率最高（小种1检出8个，小种2检出12个），BLINK次之。两个标记（3551059和3552330）被多个模型共同检测到。表型变异解释率（PVE）范围分别为10.82%–39.09%和12.49%–92.43%。两个小种的抗性位点无重叠，证实抗性遗传基础的小种特异性。多个标记落入先前QTL的置信区间内，包括定位Fw位点的标记3552330（Chr5LG3）、定位Fnw4.1的标记群（Chr4LG4）以及定位Fnw3.1的标记（Chr5LG3）。
Fop小种1和2抗性的候选基因分析。在显著MTA附近30 kb窗口内鉴定出28个候选基因，其中9个与小种1相关、19个与小种2相关。小种1的关键候选基因包括：编码FERONIA类受体激酶的Psat3g204560（含标记3551059）、ADP/ATP载体的Psat4g001520（含标记3641226）、逆转录酶的Psat5g156040（距标记3552330仅0.03 kb）以及外囊复合体亚基的Psat6g017800（含标记5929725）。小种2的关键候选基因包括：α/β-水解酶的Psat1g140520、COG6样蛋白的Psat2g146720、高丝氨酸激酶的Psat2g000680、Hsp70的Psat3g049760、磺酸外排蛋白的Psat3g037400、糖基转移酶的Psat4g157160以及钙依赖线粒体ATP-镁/磷酸载体的Psat5g056120等。
研究讨论与结论总结：
该研究在讨论部分系统阐述了研究发现的科学意义和应用价值。研究人员指出，本研究首次在豌豆中实施Fop抗性的GWAS，突破了以往依赖双亲本群体QTL定位的局限，利用自然群体的丰富等位变异实现了更高分辨率的基因定位。Fop小种1抗性的数量遗传特征具有重要意义，为利用数量抗性增强抗性持久性提供了新思路。野生近缘种作为优异抗性基因库的验证，为拓宽栽培豌豆遗传基础指明了方向。
研究确认，DArTseq标记与多模型GWAS策略的结合有效提升了关联分析的可靠性，检测到的42个MTA为分子标记开发提供了直接资源。特别是精细定位了Fnw4.1等主要QTL，将原有置信区间大幅收缩。28个候选基因的鉴定为后续功能研究奠定了基础，涉及受体激酶信号、囊泡运输、蛋白质折叠、次生代谢和转录调控等多条通路。
研究结论部分明确指出：该研究通过324份豌豆核心种质的系统表型鉴定和高通量基因分型，揭示了Fop抗性的复杂遗传架构；证实了Fop小种1抗性的数量遗传本质；鉴定出42个可靠MTA和28个候选基因；野生Pisum种质是抗性改良的宝贵资源；筛选出的抗性材料可直接用于育种；开发的分子标记可立即用于MAS。未来研究应聚焦于：上述候选基因的功能验证、关键MTA的精细作图、以及通过基因编辑等技术将优异等位基因导入 elite 栽培品种。该研究为理解豆科作物土传病害抗性机制、发展绿色可持续农业生产提供了重要的理论和实践依据。
