通过全基因组关联研究鉴定与大豆光合性状相关的标记

全球粮食不安全日益严峻，气候变化和作物产量停滞对粮食供应构成威胁。大豆（*Glycine max*）是美国种植面积第二大的作物，尤其面临风险，因此需要适应未来条件的抗逆品种。研究人员对一个包含285份大豆种质的多样性群体，进行了为期两年的气体交换和叶片形态性状研究。全基因组关联分析（GWAS）鉴定出44个标记-性状关联（MTAs），包括1个与光合碳同化相关的MTA、4个与气孔导度（*g_s*）相关的MTA、2个与水分利用效率（WUE）相关的MTA、6个与胞间CO₂浓度（*C_i*）相关的MTA，以及分别与叶面积（LA）、叶片干质量（LM）和比叶面积（SLA）相关的11、7和13个MTA。值得注意的是，SNP ss715612250（第12染色体）与水分利用效率和胞间CO₂浓度（*C_i*）相关，而SNP ss715635425和ss715635417（第19染色体）与叶片形态性状相关。在这些标记周围2 Mb区域内，鉴定出约20个针对本研究关注的多性状共定位基因组区域。在500 kb窗口内的候选基因挖掘揭示了潜在基因，包括与生长素信号（*ARF19*、*NDL1*）、叶绿体基质调控（*cICDH*）、气孔运动（*OST1*、*PIP2b*）以及叶片生长（*TCP5*、*ZPR3*）相关的基因。本研究鉴定了具有高净光合速率和水分利用效率的品种、潜在标记以及候选基因，为未来的渐渗育种、标记辅助选择和基因功能验证提供了资源。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
全球粮食安全面临气候变化与作物产量停滞的双重挑战。大豆（*Glycine max*）作为美国种植面积第二大的作物，其产量提升对保障粮食供应至关重要。已有研究表明，精英大豆品种在最优环境下的光能拦截效率（ε_i ≈ 0.89）和光合产物向籽粒的分配效率（ε_p ≈ 0.60）已接近上限，因此光合效率优化成为未来遗传改良的主要目标。光合作用是作物生物量90%以上的来源，但高光合速率与低气孔导度（*g_s*）并不天然等同于逆境下的高产或适应性。当前研究多集中于磷胁迫等非生物逆境下的光合响应，而对非胁迫条件下净CO₂同化速率（*A_N*）与水分流失的内源性变异研究不足。因此，识别具有高光合速率和低气孔导度的基因型，是应对人口增长与种植环境变化的双重策略。

**研究内容与结论**
研究人员利用美国农业部（USDA）大豆种质资源信息网络（GRIN）提供的285份大豆种质（包括地方品种、育种系和精英品种），在2020年和2021年两个生长季，于阿拉巴马州Shorter的田间试验站进行随机完全区组设计种植。通过离体叶片气体交换测量和叶片形态分析，系统评估了净光合速率（*A_N*）、气孔导度（*g_s*）、胞间CO₂浓度（*C_i*）、瞬时水分利用效率（WUE_i）、叶面积（LA）、叶片干质量（LM）和比叶面积（SLA）七个表型。全基因组关联分析（GWAS）共鉴定出44个显著的标记-性状关联（MTAs），其中1个与*C_i*相关，4个与*C_i*相关，2个与WUE_i*相关，6个与*C_i*相关，以及11、7和13个分别与LA、LM和SLA相关。关键标记ss715612250（Chr. 12）与WUE_i和*C_i*关联；ss715635425和ss715635417（Chr. 19）与所有叶片形态性状关联。在标记周围2 Mb区域内发现约20个多性状共定位基因组区域。在500 kb窗口内筛选候选基因，识别出与生长素信号（*ARF19*、*NDL1*）、叶绿体基质调控（*cICDH*）、气孔运动（*OST1*、*PIP2b*）以及叶片生长（*TCP5*、*ZPR3*）相关的潜在基因。研究结论：鉴定出具有高净光合和水分利用效率的品种（如PI303652和PI509103），为后续渐渗育种、标记辅助选择和基因功能验证提供了分子标记和候选基因。该论文发表在《*Euphytica*》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：（1）使用便携式气体交换系统（LI-6400）在R2-R3生长阶段测量离体叶片的*C_i*、*C_i*、*C_i*，并计算WUE_i；用叶面积仪（LI-3100）测定LA，烘干后称重获得LM，并计算SLA。（2）通过SoySNP50K芯片获得42,509个SNP标记，经频率和缺失率过滤后保留33,453个SNP用于分析。基于先前报道的连锁不平衡（LD）衰减距离（Patel et al., 2025）确定候选基因搜索窗口。（3）采用GAPIT v3中的FarmCPU模型进行GWAS，以主成分分析（PCA）校正群体结构（Q），VanRaden方法计算亲缘关系（K），显著性阈值设为−log₁₀(*p*) > 4.5，建议阈值设为−log₁₀(*p*) > 3.5。（4）利用Plant Ensembl和Soybase数据库，在显著SNP上下游250 kb区域内进行候选基因挖掘与基因本体（GO）注释。样本队列来源为美国农业部ARS种质资源信息网络（GRIN）的285份大豆种质。

**研究结果**

**表型数据分析**
表型测量显示所有性状均存在显著的基因型和年份效应，但基因型×环境（G×E）互作仅在LA和LM中显著。性状变异范围：*A_N* 2.09–31.6 μmol CO₂ s^-1 m^-2，*g_s* 0.04–0.86 mol H₂O m^-2 s^-1，*C_i* 198–331 μmol CO₂ mol H₂O^-1，WUE_i 18.27–105.59 μmol CO₂ mol air^-1，LA 10.14–130.9 cm²，LM 0.04–0.91 g，SLA 90.75–505.7 cm² g^-1。相关性分析显示，*A_N*与*r_s*呈强正相关（2020年0.75，2021年0.88）；WUE_i与*r_s*呈强负相关（2020年−0.96，2021年−0.92）。广义遗传力：*A_N* 0.64，*g_s* 0.67，WUE_i 0.54，*C_i* 0.49，LA 0.79，LM 0.77，SLA 0.67。

**标记-性状关联**
2020年数据分析识别出9个显著SNP（−log₁₀(*p*) > 4.5），其中4个与*g_s*相关（3个位于Chr. 10同一区域），4个与*C_i*相关（3个位于Chr. 7），1个与LM相关。建议阈值下共识别出68个SNP。2021年识别出14个显著SNP，包括各1个与*A_N*（ss715622638, Chr. 15）、*C_i*（ss715612250, Chr. 12）和LM（ss715632853, Chr. 18）关联，3个与LA关联（Chr. 10），8个与SLA关联。跨环境分析（BLUP）发现与WUE_i、*C_i*、LA、LM和SLA显著关联的SNP。共计44个显著MTAs（包括跨环境），例如ss715612250在单个年份和跨环境分析中均与*C_i*关联；ss715635425（Chr. 19）在两个年份和BLUP中均与LA关联，并在单个年份和BLUP中与LM和SLA关联。部分关联具有环境特异性，可能反映G×E互作。

**候选基因鉴定**
在500 kb窗口内，各性状相关区域分别包含：*A_N* 34个基因，*g_s* 56个，*C_i* 34个，LA 386个，LM 108个，SLA 312个。多个性状共定位区域出现重叠：Chr. 12上ss715612250（34个基因）和Chr. 18上ss715628694（61个基因）同时与*C_i*和WUE_i关联；Chr. 10上一个区域同时与*g_s*和*C_i*关联（64个基因）；Chr. 5上ss715590348同时与LA和LM关联（62个基因）。按GO功能筛选后，重点关注的候选基因包括：与生长素信号相关的*ARF19*和*NDL1*（Chr. 5）；与叶绿体基质调控相关的*cICDH*（Chr. 15）；与气孔运动相关的*OST1*（Chr. 7）和*PIP2b*（Chr. 12）；与叶片生长和极性相关的*TCP5*（Chr. 5）和*ZPR3*（Chr. 19）。特别地，*OST1*（SnRK2家族）在拟南芥中被证实高表达于保卫细胞并调控干旱、盐和冷胁迫下的气孔开闭；*PIP2b*（水通道蛋白）参与保卫细胞渗透调节；*cICDH*在氧化胁迫下提供NADPH并参与叶绿体基质中的氧化还原信号。*ZPR3*（小亮氨酸拉链蛋白）在Chr. 19上被鉴定，其重复基因也在Chr. 3与LA关联的标记附近发现。*TCP5*（TCP转录因子家族）通过整合外部信号调控叶片边缘发育和热形态建成。

**讨论与结论**
讨论部分总结：本研究鉴定出多个具有理想表型组合的种质，如PI509103表现出高*A_N*和WUE_i*、低*g_s*及低于平均的SLA，适合需水高效品种选育；PI303652在两年中均表现最高光合速率。光合相关性状的遗传力中等偏低（0.49–0.67），而叶片形态性状的遗传力较高（0.67–0.79），符合环境敏感性与定性性状的特点。共定位区域分析发现，Chr. 19上260 kb区间（44,937,972–45,204,441 bp）包含标记ss715635425，该区域此前已被报道与叶形、叶柄长度和叶面积相关，其中候选基因*Glyma.19g192700*（生长调控因子4, GRF4）和*Glyma.19g194100*（小拉链蛋白3, ZPR3）参与叶片大小和极性调控；Chr. 5上两个区域（954,941–1,952,710 bp和39,755,185–40,327,284 bp）分别与WUE_i、*C_i*、LA、LM和SLA关联，并包含*TCP5*、*ARF19*、*NDL1*等基因。这些结果突出了叶片发育、气孔调控和生长素信号在光合效率中的潜在作用。

结论部分翻译：本大豆研究在*A_N*、*g_s*、WUE_i*、*C_i*、LM、SLA和LA七个表型中鉴定了44个显著的标记-性状关联（MTAs）。这些关联SNP引导了与光合过程、气孔调控以及叶片生长和发育相关的推定基因的发现。在所有种质中，PI303652表现出卓越的光合活性，而PI509103表现出高光合效率和水分利用效率及低气孔导度。对田间生长样本的测量分析对实际育种应用具有更大的相关性，因为田间研究更易向农业生产系统转化。本研究中鉴定的基因组区域和候选基因，为培育具有增强光合作用和水分利用效率的大豆品种提供了宝贵资源。