甜菜叶蛋白提取率的遗传调控与双用途品种选育潜力

《Field Crops Research》：Leaf protein extractability in sugar beet: Genetic control and breeding potential for dual-purpose cultivars

本研究针对甜菜叶蛋白提取率低的问题，通过评估200个甜菜杂交种在四个田间试验中的叶蛋白相关性状，结合全基因组关联分析(GWAS)，发现叶蛋白产量与糖产量仅呈弱相关，并鉴定出48个与叶蛋白含量及提取性相关的QTL区域，为选育兼具高糖产量和高叶蛋白提取率的双用途甜菜品种提供了遗传基础和育种工具，对可持续农业和植物蛋白资源开发具有重要意义。

　　

随着全球对植物蛋白需求的快速增长，从动物源蛋白向更可持续的替代品转型已成为重要趋势。在众多潜在来源中，绿叶是丰富但尚未被充分利用的植物蛋白资源，尤其是在农业副产品中。甜菜（Beta vulgaris L.）作为一种主要糖料作物，其储存根用于制糖，但同时产生大量叶生物量，这些叶片含有16-22.8%的粗蛋白，使其成为潜在的宝贵植物蛋白来源。然而，目前从甜菜叶中提取蛋白质的产量仍然较低，例如只有约6%的总蛋白能以RuBisCO形式回收。蛋白质提取效率受到多种生物和技术因素的影响，包括细胞壁组成、酚类化合物和蛋白酶活性，以及提取方案本身。此外，基因型变异也显著影响叶蛋白含量和提取率，但在甜菜中，关于叶蛋白性状遗传多样性的了解甚少。历史上，甜菜育种主要针对糖产量和抗病性，往往以牺牲叶生物量和细胞壁组成为代价。现代高糖品种是否适合蛋白质提取，或者选育提高蛋白质产量是否会与糖产量选择相冲突，这些问题在很大程度上尚未探索。因此，了解甜菜叶蛋白提取产量的表型多样性及其与根和糖性状的关系，对于评估潜在的权衡和识别具有双用途价值的品种至关重要。

本研究旨在通过（i）量化总叶蛋白含量和可提取叶蛋白含量，（ii）评估蛋白质提取率，（iii）估计蛋白质性状的遗传力，（iv）分析叶蛋白、根和糖性状之间的相关性以检验权衡关系，以及（v）进行全基因组关联分析以揭示叶蛋白性状变异的遗传基础，来填补这一知识空白。该研究论文发表在《Field Crops Research》上。

为开展研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：研究材料为200个甜菜杂交种（由KWS SAAT SE & Co. KGaA公司提供），在四个地点的田间试验中进行评估；采用近红外光谱（NIRS）预测模型测定叶蛋白含量（LPC）和可提取RuBisCO含量（ER）；通过螺旋压榨和氮燃烧法测定可提取叶蛋白含量（ELPC）和蛋白质提取率（PE）；利用空间调整模型（SpATS）进行表型数据分析以获得最佳线性无偏估计（BLUEs）；基于定制SNP芯片进行基因分型，并使用statgenGWAS软件包进行全基因组关联分析（GWAS），以Van Raden亲缘关系矩阵校正群体结构；最后，基于EL10.2甜菜基因组注释，对显著标记附近的候选基因进行了分析。

3.1. 大型表型变异性

通过对四个田间试验的数据分析，获得了基因型平均值的最佳线性无偏估计（BLUEs）。研究发现，可提取叶蛋白含量（ELPC）、可提取RuBisCO（ER）、蛋白质提取率（PE）和叶产量（LY）具有较大的表型变异性，这些性状的变异系数（CV%）在8%到15%之间。不同试验点间的环境效应显著，例如NL23试验点的LPC、ELPC、ER和根产量（RY）调整后平均值明显高于其他三个试验点，而糖含量（SC）则低得多。这些结果强调了环境条件和管理实践对叶蛋白产量的强烈影响。

3.2. 糖含量、根产量和叶蛋白含量的高遗传力

研究估计了性状在试验内和跨试验的广义遗传力。根产量（RY）和糖含量（SC）的遗传力估计值最高，跨试验估计值分别为0.75和0.88。在叶片相关性状中，LPC和ER也表现出较高的跨试验遗传力，分别为0.65和0.61。干物质含量（DM）和ELPC显示出中等遗传力估计值（0.51和0.48），而LY和PE的遗传力较低，分别为0.27和0.26。方差分析表明，环境（E）对LPC、ELPC、ER、RY和SC有显著影响（P < 0.01），但对DM、PE和LY没有显著影响。除PE和LY外，基因型对所有性状均有显著影响。基因型与环境的互作（G×E）对ER、RY、SC和PE也显著（P < 0.05）。这些结果表明，LPC、ELPC和ER具有中等遗传力，表明通过针对性选择育种可以进一步改善这些性状。

3.3. 甜菜和叶蛋白组分之间的性状相关性

利用跨试验的BLUEs，对研究的性状进行了相关性分析。有趣的是，糖产量（SY）与蛋白质产量（PY）和RuBisCO产量（RubY*）之间观察到轻微的正相关，这表明选择提高蛋白质产量可能不会损害糖产量。正如预期，糖含量（SC）和根产量（RY）之间存在强烈的负相关（-0.76），反映了甜菜育种中典型的权衡。RY与LPC呈正相关（0.37），而LPC与SC呈负相关（-0.39），这表明增加叶蛋白可能会略微降低糖浓度，但对整体根产量没有显著影响。叶蛋白性状之间也观察到正相关。ELPC和PE有很强的正相关（0.71），ELPC与LPC（0.55）以及ER（0.39）也呈正相关。此外，ER和LPC之间的相关性很强（0.71）。叶产量（LY）和LPC之间存在中度的负相关（-0.35），表明较高的叶生物量可能会略微稀释蛋白质浓度。主成分分析（PCA）结果进一步支持了相关性分析，并强调了两个主要的育种方向：（i）结合高糖含量和高叶干物质的品种，以及（ii）具有大根和高蛋白质产量的品种。这些关系突出表明，改善叶蛋白产量是可行的，且不会对关键甜菜农艺性状产生重大权衡。

3.4. 通过GWAS鉴定标记-性状关联（MTAs）

为了检测遗传标记与LPC、ELPC、ER、PE和LY变异的显著关联，进行了关联作图。在所有分析中，共鉴定出182个显著的标记-性状关联（FDR, P < 0.05）。通过将彼此距离在10 cM以内的标记视为同一数量性状位点（QTL），最终鉴定出12个LPC的QTL、12个ELPC的QTL、9个ER的QTL、9个PE的QTL和6个LY的QTL。多个性状的QTL共定位于相同的基因组区域，表明可能存在共同的因果等位基因。例如，染色体8的末端区域，QTL_LPC_8b、QTL_ELPC_8b和QTL_ER_8重叠；染色体6末端附近，QTL_LPC_6b、QTL_ELPC_6a和QTL_ER_6成簇。多个试验中一致鉴定出的QTL（如QTL_LPC_6c、QTL_ELPC_4a、QTL_ER_4b和QTL_LY_5b）为其有效性提供了更强证据，这些QTL的LOD值 > 3，并且解释了超过10%的表型方差。

3.5. 候选基因

在182个标记-性状关联中，有169个是基因内的，可能通过直接关联突出了候选基因。研究确定了叶蛋白性状的潜在候选基因。对于LPC，显著的候选基因包括染色体6上的碳酸酐酶2（CA2）和硝酸盐转运蛋白NRT1.2，它们分别与光合作用和硝酸盐转运有关。另一个候选基因是氨基酸输出基因GLUTAMINE DUMPER 3（GDU3），该基因在LPC、ELPC和ER等多个性状中被一致鉴定，表明它是叶蛋白性状的重要靶点。ELPC的其他候选基因包括参与细胞壁合成和降解的基因，如CSLE1和PAE6。ER的其他显著候选基因包括染色体4上的硫氧还蛋白F型（TRXF）和TIC20-II。TRXF在激活光合作用碳循环酶中起作用。TIC20-II专用于光合作用前蛋白，已知参与蛋白质前体向叶绿体的输入。对于PE，一个潜在的候选基因是参与细胞壁修饰的TBL23。最后，对于LY，鉴定了一个与植物生长相关的推定候选基因HPGT1。

本研究旨在鉴定具有高叶蛋白提取潜力的基因型，并探索该性状的遗传基础，为未来的育种策略提供信息。GWAS群体在所研究的叶片性状上表现出显著的表型变异。根产量和糖含量的遗传力高于叶蛋白性状，这在意料之中，因为种质来源于活跃的甜菜育种计划。叶蛋白含量（LPC）、可提取叶蛋白含量（ELPC）和可提取RuBisCO（ER）的遗传力估计值为低到中等。蛋白质提取率（PE）的遗传力较低，这表明直接选择对改善叶蛋白含量的潜力有限，但通过LPC、ELPC和ER等组成性状进行间接选择仍然有希望。相关性分析显示，糖产量与蛋白质产量以及RuBisCO产量之间存在轻微的正相关，表明针对提高叶蛋白产量的育种可能不会损害主要收获产品糖的产量。然而，必须指出的是，增加叶蛋白产量可能会对甜菜根的品质（如氨基酸氮含量）产生潜在影响，这需要未来进行研究。

GWAS共鉴定出182个标记-性状关联，整合为基因组范围内的48个QTL。几个QTL在多个试验中被一致检测到，其中一些包含解释超过10%表型方差的标记，突出了它们在叶蛋白及相关性状分子育种中的潜力。大多数显著标记（92.8%）是基因内的。在染色体8末端附近，鉴定出LPC、ELPC和ER的重叠QTL，其中GLUTAMINE DUMPER 3（GDU3）是一个潜在的候选基因。LPC的其他候选基因包括参与光合作用的基因，如LHCA5和碳酸酐酶2（CA2），以及与硝酸盐转运相关的基因。对于ER，在QTL_ER_4b中发现了参与蛋白质前体向叶绿体转运的基因TIC20-II。对于ELPC和PE，多个QTL包含在编码区或与细胞壁代谢相关基因存在连锁不平衡的标记，这与先前的报告一致，即细胞壁组成限制叶蛋白提取产量。对于LY，在染色体5上的一致性QTL中鉴定出与植物生长相关的候选基因，包括HPGT1。

总之，选择性育种可以提高甜菜叶的蛋白质提取产量。选育总叶蛋白含量比选育蛋白质提取率更直接，因为后者的遗传力较低且更难测量。叶蛋白提取产量与根糖产量之间未观察到负相关关系，表明双用途育种是可行的，且不会对糖和根产量这两个经济性状产生强烈的权衡。叶蛋白提取产量的遗传结构复杂，共鉴定出多达48个与LPC、ELPC、ER、PE或LY相关的QTL。鉴定出几个大效应的标记-性状关联，例如位于QTL_LPC_6b和6c、QTL_ELPC_2、QTL_ELPC_4a、QTL_ER_4b和QTL_LY_5b的标记，它们解释了超过10%的表型方差。在这些QTL内，检测到许多候选基因，特别是那些与光合作用过程、细胞壁组成和可塑性、氨基酸转运以及蛋白质向叶绿体输入相关的基因。鉴定出的QTL和候选基因为改善甜菜叶蛋白产量提供了育种工具。本研究结果支持甜菜副产品的可持续价值化。对这些QTL区域进行进一步研究，例如通过精细定位或基因功能研究，将是验证本研究结果的合乎逻辑的后续步骤。