《The Plant Genome》：Genome-wide association and genomic prediction of anthracnose (Colletotrichum dematium) resistance in spinach
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炭疽病是由刺盘孢菌（Colletotrichum dematium）引起的一种主要叶部病害，严重威胁菠菜（Spinacia oleracea L.）的生产。在本研究中，研究人员在田间条件下评估了一个包含 266 份种质资源的多样化群体，以解析炭疽病抗性的遗传架
炭疽病是由刺盘孢菌（Colletotrichum dematium）引起的一种主要叶部病害，严重威胁菠菜（Spinacia oleracea L.）的生产。在本研究中，研究人员在田间条件下评估了一个包含 266 份种质资源的多样化群体，以解析炭疽病抗性的遗传架构。观察到了显著的表型变异，病害严重度指数（DSI）范围从 1（高抗）到 10（高感）。共有 20 份种质资源表现出中度至高度抗性（DSI ≤ 4），代表了宝贵的抗性来源。全基因组关联研究（GWAS）鉴定出 20 个显著的单核苷酸多态性（SNP）位点。其中最一致的标记（SOVchr3_19667279）解释了高达 66.8% 的表型方差，且几个相关的 SNP 位于或邻近推定的防御相关基因内。使用多种模型进行的基因组预测（GP）表明，当使用包含更多 SNP 的集合时，预测准确性有所提高。基因组最佳线性无偏预测（gBLUP）模型取得了最高的准确性（r = 0.92），而在使用 20 个 GWAS 衍生的 SNP 时，贝叶斯岭回归（BRR）模型达到了最佳预测准确性（r = 0.51），突显了将关联作图与预测方法整合的价值。跨群体预测表现良好（r = 0.58–0.71），而跨种群（across-population）预测的准确性降低（r = 0.10–0.14），表明遗传背景对模型的可迁移性有影响。这项综合性基因组学研究为菠菜炭疽病抗性的遗传基础提供了新见解，并证明了 GWAS 和 GP 在加速抗性育种中的潜力。
菠菜（Spinacia oleracea L.）作为全球广泛消费的叶菜作物，其生产正面临由刺盘孢菌（Colletotrichum dematium）引起的炭疽病的严重威胁。该病害在高温高湿环境下极易爆发，可导致叶片出现凹陷病斑、萎蔫甚至绝收，严重制约了菠菜的产量与品质。尽管化学防治有一定效果，但培育和利用抗病品种被视为最可持续且环保的策略。然而，菠菜狭窄的遗传基础、高度杂合性以及抗性性状的复杂性，使得传统育种进展缓慢。此外，田间表型鉴定耗时费力且易受环境干扰。因此，亟需开发高效的基因组工具以加速抗性位点的挖掘与选择精度的提升。虽然全基因组关联研究（GWAS）已在菠菜其他性状研究中得到应用，但针对炭疽病抗性的综合遗传解析尚属空白。
为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项综合性基因组学研究，旨在解析菠菜炭疽病抗性的遗传架构并评估基因组预测（GP）的效能。研究利用来自全球 30 个国家的 266 份菠菜种质资源，在田间条件下进行了严格的病害表型鉴定，并结合全基因组重测序（WGR）技术获得了高质量的 SNP 数据。通过整合多种统计模型进行 GWAS 分析，研究人员成功鉴定出多个与抗性显著相关的 SNP 位点，并定位了潜在的候选基因。同时，研究系统评估了不同基因组预测模型及标记集在菠菜抗病育种中的应用潜力。该研究成果发表于《The Plant Genome》，不仅揭示了菠菜炭疽病抗性的多基因遗传特征，鉴定出具有重大效应的关键位点，还验证了基于 GWAS 结果优化标记集可显著提升基因组预测的准确性，为菠菜分子标记辅助选择和基因组选择育种提供了重要的理论依据和基因资源。
本研究采用的关键技术方法主要包括：首先，构建了包含 266 份来自全球多样化地理来源的菠菜种质群体，并在田间通过接种强致病力菌株进行表型鉴定，采用 1-10 级评分标准量化病害严重度指数（DSI）。其次，利用全基因组重测序（WGR）技术对样本进行基因型分析，经严格质控后获得 12 万余个高质量 SNP 标记。在数据分析阶段，研究人员综合运用主成分分析（PCA）和邻接法（NJ）构建系统发育树以解析群体结构；采用多种统计模型（包括 GLM、MLM、FarmCPU、BLINK 等）在 GAPIT3、rMVP 和 TASSEL 等多个软件平台中进行 GWAS 分析，以交叉验证标记 - 性状关联（MTA）；利用连锁不平衡（LD）分析界定候选基因区间；最后，通过贝叶斯模型、机器学习算法及 gBLUP 等多种策略，在不同标记密度和群体验证方案下评估基因组预测的准确性。
研究结果主要发现如下：
在表型变异方面，266 份种质资源的 DSI 分布在 1 至 10 之间，平均值为 8.25，显示出广泛的遗传变异。其中筛选出 20 份具有中高度抗性（DSI ≤ 4）的种质，包括 4 份高抗材料（DSI ≤ 2），这些材料主要源自美国，是宝贵的育种亲本资源。系统发育分析显示，抗性种质分散在不同的遗传亚群中，表明抗性来源的多样性。
在全基因组关联分析方面，研究共鉴定出 20 个与炭疽病抗性显著相关的 SNP 位点。其中，位于 3 号染色体的 SOVchr3_19667279 是最稳定且效应最大的位点，在多种模型中均被检测到，解释了高达 66.8% 的表型方差。位于 6 号染色体的 SOVchr6_42532193 也表现出高度一致性，解释了约 11.4%-14.2% 的表型方差。此外，在 1 号和 2 号染色体上也发现了若干具有中等效应的位点。基于连锁不平衡分析，研究人员在显著位点附近锁定了三个候选基因：SOV1g005480（编码 Bms1 型 G 结构域蛋白，可能参与核糖体生物合成）、SOV3g013880（编码通用转录因子 3C 多肽 5 类似蛋白）以及 SOV6g010910（编码茉莉酸诱导蛋白，暗示茉莉酸信号通路在抗病反应中的潜在作用）。
在基因组预测方面，研究结果显示预测准确性受模型类型、标记数量及群体结构影响显著。当使用全基因组 SNP 时，gBLUP 模型在自测中表现出极高的准确性（r = 0.92）。对于随机选择的 SNP 集合，预测准确性随标记数量增加而提高，并在约 5000 个标记后趋于平稳。值得注意的是，使用 GWAS 筛选出的显著 SNP 集合（特别是 20 个显著位点）能显著提升预测效率，其中贝叶斯岭回归（BRR）模型在使用 20 个 GWAS 衍生 SNP 时达到了 0.51 的预测精度。在跨群体预测中，当训练集与验证集具有遗传相关性时，预测准确性较高（r = 0.58–0.71）；而在遗传背景差异较大的跨种群预测中，准确性显著下降（r = 0.10–0.14），表明遗传背景对模型的泛化能力有重要影响。
综上所述，本研究结论认为：菠菜对炭疽病的抗性是由主效基因和微效基因共同控制的复杂数量性状。研究鉴定的高抗种质资源和显著 SNP 标记为抗病育种提供了直接的材料和工具。特别是 SOVchr3_19667279 作为一个主效位点，具有极高的育种应用价值。候选基因的功能注释为进一步解析抗病分子机制提供了线索。在育种策略上，虽然基因组预测在相似遗传背景群体中表现优异，但在跨群体应用中仍面临挑战。因此，将 GWAS 鉴定的关键位点整合到基因组选择体系中，特别是利用显著标记优化预测模型，是加速菠菜抗病品种培育的有效途径。未来的研究应致力于候选基因的精细定位与功能验证，并在多环境下评估抗性稳定性，以推动分子设计育种在菠菜产业中的应用。
