小麦育种中种子大小与休眠性的拮抗选择：全基因组关联研究揭示关键基因与气候适应性机制

　　本研究通过全基因组关联分析（GWAS）揭示了小麦育种过程中种子大小与休眠性性状间的遗传拮抗关系。研究人员对545份全球小麦种质进行多环境表型鉴定和重测序分析，发现育种选择优先积累增大籽粒的等位基因，导致休眠性等位基因频率显著降低。研究鉴定出Tamyb10和TaGW2等关键基因的多效性调控作用，同时发现TaRBP-4A等协同增效位点，为平衡改良这两个重要性状提供了遗传资源和分子标记。该成果对应对气候变化引发的穗发芽风险具有重要意义，为小麦精准育种提供了理论依据。

　　

在小麦育种历程中，一个令人困扰的矛盾一直存在：农民和育种家们渴望获得籽粒饱满的大粒品种来提高产量，但籽粒变大的同时，种子休眠性往往减弱，这导致收获前遇到阴雨天气时极易发生穗发芽（Pre-harvest Sprouting, PHS），造成产量和品质的双重损失。这种种子大小与休眠性之间的此消彼长关系，虽然在实际育种过程中已被多次观察到，但其背后的遗传机制却一直不甚明晰。

近期发表在《Genome Biology》的一项研究，通过对545份来自全球76个国家的小麦种质（包括265份地方品种、215份育成品种和65份育种材料）进行全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study, GWAS），结合多环境表型鉴定和重基因组重测序，深入解析了这两个重要性状间的遗传基础。研究发现，在小麦育种改良过程中，增大籽粒的有利等位基因被优先选择，而增强休眠性的等位基因则被显著削弱，这种拮抗选择导致了现代品种普遍存在“大粒但休眠弱”的特点。研究人员进一步鉴定出多个关键基因，包括具有多效性作用的Tamyb10和TaGW2，以及能协同提升两个性状的TaRBP-4A等位点，为打破这种负向关联、实现双性状协同改良提供了重要遗传资源。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，对545份小麦种质进行了~10×深度的全基因组重测序，共获得6337万个高质量SNP位点；其次，在四个环境（河北赵县2021-2023年和北京2023年）对种子休眠性（GP3D、GP7D）和种子大小性状（TKW、KL、KW）进行表型鉴定，并计算最佳线性无偏估计值（BLUE）；利用EMMAX软件进行GWAS分析，鉴定显著关联位点；通过π比值、Fst和XP-CLR方法分析育种选择信号；此外，还利用RNA-seq数据筛选候选基因，并通过转基因和基因编辑材料验证基因功能。

群体结构与表型变异

545份小麦种质覆盖了广泛的遗传多样性，群体结构分析表明地方品种与育成品种明显分离。种子休眠性和大小性状均表现出较高的遗传力（H²为0.8517–0.9598）。表型分析发现，育成品种的种子发芽率（GP）和千粒重（TKW）均显著高于地方品种，且过去120年间这些性状呈快速上升趋势。重要的是，种子休眠性与大小性状间存在显著的表型和遗传相关（r_g = 0.28–0.40），表明这两个性状共享部分遗传基础。

全基因组关联分析鉴定显著位点

通过GWAS分析，共鉴定到8747个与GP3D、18055个与GP7D、2680个与TKW、1130个与KL和2721个与KW显著相关的SNP。这些位点中包含了多个已知的种子休眠性（如Tamyb10-3A/B/D、TaMFT-3A/B/D、TaAFP-2B、TaSdr-2D和TaMKK3）和种子大小（如TaPGS-1D、TaARF12-2A、TaPIN1-6A、TaPRR1-B1、KAT-2B和TaAGL6-B）相关基因。此外，还发现了37个新的GP3D相关位点、60个GP7D相关位点、7个TKW相关位点、6个KL相关位点和14个KW相关位点。

育种选择信号分析

选择清除分析发现，约13.30%的小麦基因组在育种过程中受到了选择，其中A和B亚基因组的选择强度高于D亚基因组。整合GWAS和选择信号分析发现，39.40%的显著位点（249/632）在育种过程中受到了显著选择。单倍型频率分析进一步证实了这些基因在育种中的积累，如种子休眠性相关基因TaGA20ox4-1A、TaSdr-2A、TaAFP-2A/B、TaMFT-3A、TaABI1-3A、TaABI8-3A、Tamyb10-3D和TaKAO-7A，以及种子大小相关基因TaPGS1-1B-1/2、TaCYP78A5-2D、ALI-1、TaARF25-5D和TaGW2-6D。

有利等位基因频率的变化

分析发现，91.59%和54.82%的GP3D和GP7D相关SNP在育成品种中的有利等位基因频率（Favorable Allele Frequency, FAF）低于地方品种，而86.82%、28.19%和82.61%的TKW、KL和KW相关SNP在育成品种中的FAF更高。随着种子休眠性有利等位基因数量的增加，种子大小性状呈下降趋势；反之，随着种子大小有利等位基因数量的增加，种子发芽率上升。这种此消彼长的关系揭示了两个性状间的遗传拮抗。

种子休眠性与大小的负相关

研究发现71.20–80.73%的显著SNP具有独立效应，0.21–0.76%具有协同效应（高TKW和低GP），18.59–28.60%具有拮抗效应（高TKW伴随高GP，或低TKW伴随低GP）。值得注意的是，具有协同效应的SNP比例在地方品种（~0.76%）中显著高于育成品种（~0.21%），而具有拮抗效应的SNP比例在育成品种（~28.60%）中高于地方品种（~24.90%）。这些具有拮抗效应的SNP解释了22.49–26.56%的GP3D和11.82–47.21%的TKW表型变异，而协同效应SNP仅解释0.36–0.54%的GP3D和0.13–1.12%的TKW变异。

调控种子休眠性与大小的重叠基因组区域

共发现66个与种子休眠性和大小相关的重叠区域，其中21个区域显示显著的拮抗表型效应。在这些拮抗连锁区域中，育种选择固定了增大种子大小的有利等位基因，而非增强休眠性的等位基因。例如，具有显著拮抗效应的Qgd-gs.3A.2区域包含了已知的种子休眠基因Tamyb10-3A。此外，还发现了三个具有协同效应的区域（Qgd-gs.4A.1、Qgd-gs.5D.2和Qgd-gs.7A.1）。

研究人员从协同区域Qgd-gs.4A.1中鉴定到一个RNA结合蛋白基因TaRBP-4A，该基因正向增强种子休眠性和大小。单倍型分析发现，携带GG等位基因的单倍型具有显著较低的种子发芽率和较大的种子大小。基于TaRBP-4A基因序列开发的CAPS标记在三个独立群体中均验证了其与GP3D和TKW的显著关联。

关键基因的多效性作用

研究发现Tamyb10和TaGW2具有多效性调控作用。Tamyb10-3D过表达株系（OE）和Tamyb10-3B编辑株系（NF243-3, NF243-12）不仅延迟了发芽，种子颜色由白变红，而且千粒重显著降低。同样，TaGW2过表达导致千粒重降低和种子休眠性增强，而敲除TaGW2则使千粒重显著增加且休眠性减弱。这些结果证实了这些基因在调控种子大小和休眠性中的拮抗作用。

单倍型分布与气候适应的关系

研究发现，三个多效性基因（Tamyb10-3B/D、TaGW2-6A）和三个协同区域（Qgd-gs.4A.1、Qgd-gs.5D.2、Qgd-gs.7A.1）的有利单倍型频率在全球不同地区间存在显著差异，且与年降水量（Bio12）显著相关。中国小麦生态区在未来气候情景下预计将经历强降水，但Tamyb10-3B/D的有利单倍型频率显著低于不利单倍型。相比之下，北美小麦品种中TaGW2-6A的有利单倍型（Hap2）具有低发芽率和较高千粒重的特点。值得注意的是，三个协同位点在中国小麦区的频率为30-51%，而在北美仅为8-41%，表明这些位点在北美小麦中有很大的改良潜力。

本研究通过大规模基因组分析揭示了小麦育种中种子大小与休眠性性状间的遗传拮抗关系，发现育种选择优先积累增大籽粒的等位基因，导致休眠性等位基因频率降低。研究鉴定出Tamyb10和TaGW2等关键基因的多效性调控作用，以及TaRBP-4A等协同增效位点，为打破这种负向关联提供了遗传资源。研究发现的不同地理环境下单倍型频率差异，为应对气候变化引发的穗发芽风险提供了重要见解。这些发现不仅深化了对小麦重要农艺性状遗传基础的理解，也为通过标记辅助选择实现种子大小和休眠性的协同改良提供了理论依据和实践指导，对保障全球小麦生产的稳定性和可持续性具有重要意义。