本网讯（通讯员 杨航）近日，我校陈锋教授团队联合华中农业大学陈伟团队在国际知名学术期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为“Comparative genome-wide association studies of metabolites and grain-related traits in common wheat”的研究论文。该研究基于大规模小麦籽粒代谢组与籽粒相关性状数据，综合运用代谢物全基因组关联分析（mGWAS）、表型全基因组关联分析（pGWAS）以及代谢物和表型数量性状位点（mQTL/pQTL）定位等方法，系统解析了普通小麦籽粒代谢物与籽粒农艺性状之间的遗传联系，挖掘了关键候选基因和代谢标记，为小麦产量与品质协同改良及分子育种提供了新的基因资源和理论依据。
小麦是全球最重要的粮食作物之一，其产量和品质的协同改良一直是育种家的核心目标。代谢物作为连接基因组与表型的“桥梁”，能够更直接地反映作物的生理和发育状态。然而，大规模、系统性解析代谢物与复杂农艺性状之间的遗传关联，在小麦中鲜有报道。
小麦籽粒性状变异：针对由349份中国小麦品种（系）组成的关联群体和由138个株系组成的重组自交系群体，调查了33个籽粒相关性状，包括12个籽粒形态性状和21个面粉品质性状。面粉品质性状包括淀粉糊化特性、破损淀粉含量和面团流变学特性等。表型分析表明，两类性状均表现出广泛的自然变异，变异系数介于1.19%和191.58%之间，显示出该关联群体具有丰富的表型多样性。相关性分析显示，籽粒形态性状之间、淀粉糊化特性之间以及面团流变学特性之间的大多数性状均呈显著正相关（图1a）；而淀粉糊化特性与面团流变学特性之间主要表现为显著负相关。
图1 籽粒性状与代谢物的分类、相关性及变异概况
小麦籽粒代谢物分析：研究采用LC-MS/MS的广泛靶向代谢组学方法，对自然群体和重组自交系群体的籽粒代谢物进行了系统分析。结果共鉴定到947种代谢物，其中461种有注释信息，涉及11条代谢通路（图1b）。对这两个群体的代谢物变异情况进行分析，发现自然群体中的代谢物变异程度高于重组自交系群体（图1c），说明自然群体具有更广泛的遗传背景和更丰富的历史重组，因此表现出更高的代谢多样性；相比之下，重组自交系群体源自双亲杂交，遗传组成相对受限。对461种已注释代谢物进行相关性分析发现（图1d），参与糖代谢的代谢物通常与多酚、核酸衍生物以及氨基酸及其衍生物等通路中的代谢物呈负相关或弱相关。这种模式与糖代谢和多种生物合成过程之间对碳源前体物质及能量的竞争相一致（图1d中的绿色矩形区域）。相比之下，同一生化类别内的代谢物之间主要表现出较强的正相关（r > 0.9，图1d中对应于沿对角线分布的相关模块）。这表明，共同的生物合成来源或功能通路可能使这些代谢物受到协同调控，并呈现相似的分布模式。其中，脂类代谢物在强相关代谢物簇中所占比例最高（图1e）。除脂类代谢物之间的相互作用外，研究还发现了一个明显的跨通路相关模式（图1f），其中色氨酸（mr1346）是高度连接的核心节点。这种芳香族氨基酸不仅与其直接衍生物表现出较强相关性，还与下游的喹啉生物碱具有较强的相关性。
代谢物与籽粒性状之间的关系分析：对自然群体的代谢物和籽粒相关性状进行相关性分析（图2a），共检测到2286组显著相关关系（|r| > 0.3，P < 0.05）。其中，有110种代谢物在多个环境中与两项以上籽粒性状呈显著相关。进一步分析发现籽粒圆度与多种代谢物呈显著正相关，包括mr1054（亚油酸）、mr2161（4-羟基苯甲醛）和GA4（赤霉素A4）（图2b）。籽粒宽度、籽粒厚度和千粒重（图2c）均与mr042、mr1146和mr232（黄酮通路），mr4029和mr4030（植物激素通路），以及mr621和S19-0999（其他通路）等多种代谢物呈负相关。黄酮通路中的代谢物（mr1070、mr1149）以及植物激素及其衍生物通路中的代谢物（mr2098）在自然群体和重组自交系群体中均与籽粒宽度呈负相关。
图2 关联群体中代谢物与性状的关键相关性分析
小麦籽粒代谢组mGWAS与mQTL分析：为解析小麦籽粒代谢组遗传变异的基础，研究利用小麦660K SNP芯片，在关联群体中开展了代谢物全基因组关联分析，共鉴定到33,566个与多种代谢物相关的SNP。这些SNP所解释的表型变异率最高达到55.6%，平均为20.4%。值得注意的是，45.73%的显著相关SNP至少与两种代谢物相关。其中，7D染色体上的AX-111393788、AX-110133791和AX-108763767，3A染色体上的AX-109098888，以及3D染色体上的AX-110900527均与100种以上的已注释代谢物相关，表明这些位点可能是调控代谢过程的重要遗传位点。在重组自交系中，对947种代谢物分别开展连锁分析和关联分析，共鉴定到3,128个QTL和2,011个显著相关SNP（图3a）。其中，207个QTL在两个以上的代谢通路中被检测到。整合自然群体的mGWAS结果与重组自交系群体的联合连锁和关联分析结果，共鉴定到属于10个类别的32种代谢物能够共定位（图3b）。进一步分析表明，这些代谢物的关联信号共定位于多个多效性基因组区域（图3a中的红色矩形区域）。为进一步研究共定位区域，发现来自不同代谢通路的13种代谢物彼此之间呈显著相关（r > 0.5，P < 0.001；图3c）且共定位于7A染色体的27.19～30.28 Mb区间（图3d和3e），包含43个基因（IWGSCv1.1）。该区间包含4个不同的单倍型区块，仅Block1与13种代谢物中的9种呈显著关联（图3f）。进一步解析Block1发现，该区块包含两个单倍型，其中7A_Hap1被鉴定为优异单倍型（图3g和3h）。在Block1（27.43～27.84 Mb）内，包含6个候选基因。基于小麦Pan800K Gene芯片的测序结果发现这6个基因共包含1,070个变异，将这些变异加入关联分析后发现编码含锌指GRF型结构域蛋白的基因TraesCS7A02G057300（ZGRF-7A）是最有潜力的候选基因。对ZGRF-7A进行单倍型分析发现，共有49份小麦品种（系）携带ZGRF-7A-Hap1，与携带另一单倍型的材料相比，这些品系中9种代谢物含量均显著较低（图3i和3j）。
图3 整合mGWAS与mQTL共定位策略解析7A染色体候选基因
籽粒表型与代谢物GWAS与QTL整合分析：利用关联群体的33个籽粒相关性状，基于小麦660K SNP芯片开展了表型全基因组关联分析，检测到22,014个显著相关SNP（图4a）。在所有显著相关SNP中，84.24%和12.73%分别与籽粒形态性状和面粉品质性状相关，另有3.03%同时与这两类性状相关。在重组自交系群体中对11项籽粒形态性状开展连锁分析，共鉴定到313个QTL（图4c），其解释的表型变异率范围为1%～65.62%。对相关结果整合分析，鉴定出1,792个SNP同时在mGWAS和pGWAS分析中达到显著水平，以及96个QTL能够同时在mQTL和pQTL分析中被检测到。对这些共定位SNP和QTL区间分析表明，籽粒宽度、籽粒厚度、籽粒圆度和淀粉糊化特性主要与“其他”通路中的代谢物相关；千粒重与核酸衍生物通路中的代谢物相关；籽粒颜色和籽粒面积与脂类通路中的代谢物密切相关；籽粒长度则与黄酮通路中的代谢物密切相关（图4b）。值得注意的是，面团流变学特性与植物激素及其衍生物通路中的代谢物之间共定位的遗传位点数量最多。
验证候选基因：分析发现赤霉素GA4和籽粒圆度的GWAS与QTL结果共同定位于4A染色体621.8～624.7 Mb区间内（图4d）。该区间包含一个由两个单倍型组成的单倍型区块，其中4A_Hap2具有较高的GA4含量和籽粒圆度值（图4e和4f）。该区域包含33个基因，根据WheatOmics数据库的转录组数据，其中22个基因在小麦籽粒中表达。利用小麦Pan800K基因芯片进行测序分析发现，这22个基因共包含2,503个变异。将这2,503个变异加入GWAS分析后，仅有TraesCS4A02G343700（TaSDR）与GA4含量和籽粒圆度均达到显著关联。单倍型分析表明，TaSDR-Hap1具有相对较高的GA4含量和籽粒圆度，是优异单倍型（图4g）。筛选出TaSDR突变体K3716（图4h）进行表型调查，K3716比野生型的GA4含量降低了3.45%，籽粒圆度降低了3.18%（图4i～4l）；籽粒宽度、籽粒厚度和千粒重分别降低了10.94%、9.66%和27.07%，但籽粒长度未发生显著变化。叶面外源喷施GA4，发现突变体的多项农艺性状均显著提高，包括籽粒圆度（图4m）、长度、宽度和厚度（图4n）以及千粒重（图4o）。这些结果表明，外源GA4能够部分挽救TaSDR突变体籽粒圆度降低的表型。综上，本研究确立了TaSDR、GA4积累与籽粒形态之间的功能联系，但TaSDR调控GA4含量的确切分子机制仍有待进一步阐明。
图4 pGWAS与pQTL共定位整合及籽粒圆度和GA4含量候选基因TaSDR的功能验证
河南农业大学农学院陈锋教授、华中农业大学陈伟教授为论文的共同通讯作者；河南农业大学农学院已毕业博士生（现为河南科技学院农学院教师）吕国国与华中农业大学刘艳艳博士为论文第一作者，感谢国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的Awais Rasheed教授和山东大学的Mohsin Niaz博士对本文提供的宝贵建议。本研究得到中国国家重点研发计划项目（2023YFD1200403）和河南省杰出青年基金项目（262300421122）的资助。
原文链接：http://doi.org/10.1111/pbi.70755
编辑/黄璞 李培亚 审核/王金铎 签发/陈玺
