基因型与环境互作对蚕豆种子形态和遗传特性的影响研究

《The Plant Genome》：Effects of genotype × environment interactions on the morphological and genetic aspects of the seed characteristics of faba beans

　　本研究通过多环境试验（MET）深入探讨了基因型与环境互作（GEI）对蚕豆种子特性的影响，利用全基因组关联分析（GWAS）和单核苷酸多态性（SNP）标记，揭示了不同环境下种子性状的遗传调控机制，为蚕豆分子育种提供了重要靶点。

　　

引言

蚕豆（Vicia faba L.）作为全球第三大饲料豆类作物，具有重要的农业和经济价值。其种子特性如种子长度（SL）、种子宽度（SW）、种子面积（SA）和千粒重（TSW）直接关系到产量和品质。然而，这些性状受基因型与环境互作（GEI）的显著影响，导致在不同环境下表现不稳定。因此，解析GEI对蚕豆种子性状的遗传调控机制，对育种实践具有重要意义。本研究利用110份埃及蚕豆基因型，在德国和埃及两个地点进行多环境试验（MET），结合单核苷酸多态性（SNP）标记和全基因组关联分析（GWAS），旨在揭示种子性状的遗传基础，并筛选稳定表达的基因型。

材料与方法

试验材料包括110份源自埃及的蚕豆基因型，其中99份来自德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK），11份来自埃及本地育种项目。所有基因型在埃及阿斯尤特大学实验站进行自交繁殖3年。试验设计采用随机完全区组设计，在埃及和德国两个地点分别种植，记录种子性状（SL、SW、SA和TSW）并利用ImageJ软件进行表型分析。统计模型采用方差分析（ANOVA）和广义遗传力（H²）估计，同时计算选择指数（SI）以评估基因型在不同环境下的稳定性。基因分型采用单引物富集技术（SPET），获得33,165个SNP标记。GWAS分析使用固定和随机效应循环概率统一模型（FarmCPU），结合主成分分析（PCA）和亲缘关系矩阵（Kinship）校正群体结构。显著SNP的判定阈值设为p < 0.001（-log₁₀ > 3.00）。候选基因注释通过比对蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）参考基因组完成。

结果

表型变异与GEI效应

方差分析显示，所有种子性状在基因型（G）和地点（L）间均存在极显著差异（p < 0.01），除种子宽度（SW）外，其他性状的G × L互作效应也达到极显著水平。广义遗传力（H²）估计值介于0.92（SW）至0.96（TSW）之间，表明性状受强遗传控制。埃及地点的种子性状平均值普遍高于德国，尤其在种子长度（SL）和种子面积（SA）上表现更为突出。相关性分析显示，各地点内性状间呈高度正相关（如埃及SL与SW的r = 0.94^**），但两地性状间的相关性较弱，进一步证实了GEI的显著影响。

基因型稳定性与选择指数

通过选择指数（SI）评估基因型在多环境下的稳定性，发现FB-231和FB-227在两国均表现优异，SI值最高；而FB-193和FB-185表现最差。GGE双标图分析显示，德国（Env1）和埃及（Env2）环境间存在交叉互作（crossover G × E interaction），主成分1（PC1）和PC2分别解释总变异的83.64%和16.36%。共有7个基因型在两国均位列前20%，11个基因型位列后20%，表明部分基因型具有跨环境稳定性。

GWAS与SNP标记鉴定

GWAS分析在建议p值阈值下，于德国和埃及分别检测到47和31个显著SNP。其中，种子宽度（SW）在两国均具有最多显著标记（德国9个，埃及12个）。这些SNP分布在各染色体上，以染色体1L数量最多。表型变异解释率（R²）大于10%的SNP占多数，表明其具有主效作用。值得注意的是，两地间未发现共享的显著SNP，但各国内部存在多效性SNP：德国有7个SNP与多个性状相关（如S3_690637753同时关联TSW、SA和SI），埃及有1个SNP（S6_1241132666）同时关联SA和SW。连锁不平衡（LD）分析显示，仅染色体2上一对SNP存在完全连锁（r² = 1），其余标记间LD较弱。

候选基因注释

对多效性SNP所在的候选基因进行功能注释，发现其编码蛋白涉及多种生物学过程。例如，在德国地点，基因R1.3g110280编码核孔复合蛋白（NUP1），与TSW、SA和SI相关；R1.1g256480编码脱落酸（ABA）及环境胁迫诱导蛋白，影响SA和SI；R1.4g042840编码ADP/ATP转运蛋白（AAC），与TSW和SA相关。埃及地点的唯一多效性SNP位于基因R1.6g160280，编码LRR受体样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可能通过激素信号通路调控种子发育。

讨论

表型选择的挑战与策略

本研究发现，GEI显著影响蚕豆种子性状的表型表达，导致不同环境下基因型排名不一致。这为直接表型选择带来挑战，尤其在跨环境育种中。选择指数（SI）作为一种综合评估工具，能有效识别在多个性状上表现稳定的基因型（如FB-227和FB-231），为未来育种提供可靠亲本材料。高遗传力估计值进一步表明，针对种子性状的遗传改良具有可行性。

GWAS的局限性与优势

GWAS分析成功鉴定到大量显著SNP，但两地间缺乏共享标记，凸显了GEI对遗传定位的影响。环境特异性SNP的存在提示，分子标记的应用需考虑目标环境的适应性。然而，多效性SNP的发现为多性状同步改良提供了可能。例如，调控能量代谢的AAC基因和应激响应的ABA基因，可能通过影响种子发育过程中的资源分配间接调控多个性状。

候选基因的生物学意义

注释到的候选基因功能多样，包括核质运输（NUP1）、解毒（DTX49）、能量转运（AAC）和激酶信号传导（LRR激酶）等。这些基因在植物生长发育和胁迫响应中扮演关键角色，其多效性效应可能通过调控细胞分裂、养分积累或应激适应等过程影响种子大小和重量。例如，ABA信号通路已知参与种子休眠和萌发调控，其与种子性状的关联暗示了发育可塑性与环境适应的遗传基础。

结论与展望

本研究系统解析了GEI对蚕豆种子性状的影响，揭示了环境特异性遗传架构。选择指数（SI）的应用为多环境下基因型筛选提供了有效工具。GWAS鉴定到的SNP标记及候选基因为分子标记辅助选择（MAS）提供了潜在靶点，尤其在特定环境中。未来工作应聚焦于标记功能的验证（如通过KASP基因分型），并在更广泛遗传背景和环境中测试其稳定性，最终实现蚕豆产量和品质的协同提升。