探秘荠菜驯化密码：QTL 定位助力新型油料作物崛起

为解决荠菜（Lepidium campestre）驯化难题，瑞典农业科学大学研究人员开展相关研究。他们构建图谱、定位 QTLs，发现关键性状相关位点及候选基因。这为荠菜驯化和改良提供资源，推荐科研读者阅读。

　　

在农业的大舞台上，随着气候变化的加剧，传统的少数栽培植物及其野生近缘种所蕴含的遗传多样性，已经渐渐无法满足人们对农业生产的众多期望。就像一支疲惫的球队，难以应对不断升级的挑战。我们既希望农作物能在多变的气候中茁壮成长，持续提高产量，拓展种植区域，又期待它们能具备各种新奇的优良品质，满足人们日益多样化的需求。于是，驯化新的植物物种成为了农业领域的新希望，它们就像是一群充满潜力的新球员，有望为农业带来新的活力。

荠菜（Lepidium campestre）就是这样一位备受瞩目的 “潜力新星”，它属于十字花科，正被人们驯化，有望成为一种新型的油料作物和覆盖作物。荠菜有着诸多令人心动的优点，它非常耐寒，就像一位坚强的战士，能在寒冷的冬天傲然挺立；种子产量高，是个 “高产小能手”；还能自我授粉，繁衍后代的能力很强；而且它的基因组较小，便于科学家们进行研究。不仅如此，荠菜还能作为覆盖作物，减少土壤侵蚀，防止养分流失，提高其他作物的产量；它的种子可以用来生产工业用油，榨油后的饼粕还能作为动物饲料，简直浑身是宝。

然而，驯化荠菜可不是一件轻松的事情。它需要对多个被称为 “驯化综合征” 的特征进行改良，这就好比要把一块粗糙的石头雕琢成精美的艺术品，不仅耗时费力，还需要大量的资金投入。为了加速荠菜的驯化进程，瑞典农业科学大学的研究人员在《BMC Plant Biology》期刊上发表了一篇名为 “Identification of quantitative trait loci linked to domestication - related traits in field cress (Lepidium campestre) using bi - parental mapping populations” 的论文。他们通过研究，成功找到了与荠菜驯化相关性状的数量性状位点（QTLs），为荠菜的驯化和改良提供了宝贵的基因组资源，就像是为荠菜的驯化之路点亮了一盏明灯。

为了完成这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是构建群体，他们培育了三个 F?代双亲亲本杂交的作图群体（MPs）；接着进行基因分型，使用了靶向基因分型测序（GBS）方法中的 SeqSNP 技术，对 9378 个单核苷酸多态性（SNP）进行检测；然后通过构建遗传连锁图谱，确定这些 SNP 在荠菜八个连锁群（LGs）上的位置；最后进行 QTL 定位，找出与目标性状相关的 QTLs。

下面我们来看看研究人员都有哪些重要发现。

1. 作图群体的表型变异

研究人员通过对三个作图群体的表型进行相关性分析，发现了一些有趣的现象。植物高度（PH）和单株种子产量（SYPP）之间存在着很强的正相关关系，就像两个形影不离的好朋友，你长高，我也跟着增产。荚果破碎（PSH2）与 PH、SYPP 之间呈现出中等至较弱的正相关。在 MP1 群体中，种子休眠（SD）和其他测量的性状没有明显的关联，而 PSH1 与 PH、PSH2、SYPP 之间存在着较弱但显著的正相关。在 MP2 和 MP3 群体中，花序长度（IL）与 PSH2、PH、SYPP 都有不同程度的正相关，而荚果密度（PD）在 MP3 群体中与其他测量性状呈现出中等至较强的负相关。这些相关性的发现，就像是找到了植物各个性状之间隐藏的 “关系网”，让我们对荠菜的生长规律有了更深入的了解。

2. SeqSNP 基因分型和数据筛选

研究人员对 10000 个目标 SNP 进行基因分型和数据筛选，发现其中 9378 个（94%）符合质量标准，而这当中又有 5349 个（57%）在三个作图群体中是多态性的。不过，在每个群体中具体符合所有筛选标准的多态性位点数量有所不同。经过一系列严格的数据筛选，研究人员最终为每个群体确定了用于分析的基因型和标记数量。这就好比在一堆杂乱的珠子中，挑选出了最有价值的那几颗，为后续的研究打下了坚实的基础。

3. F?代基因型及其亲本后代的聚类模式

通过基于全基因组双等位基因 SNP 位点的主坐标分析（PCoA），研究人员发现每个群体的两个亲本的自交后代都聚集在一起，这表明亲本之间存在着较大的遗传距离。而 F?代个体在 PCoA 图上的分布，则显示了它们在群体内和群体间的遗传分离情况。MP2 和 MP3 群体中个体的遗传变异水平相当，而 MP1 群体的遗传变异相对较窄。这就像是在绘制一幅遗传家族图谱，让我们清晰地看到了荠菜家族成员之间的遗传关系和差异。

4. 遗传连锁图谱的构建

在构建遗传连锁图谱时，研究人员去除了那些共享超过 90% 等位基因的个体，以及存在缺失值、分离扭曲、交叉计数过大和与任何连锁群连接不足的标记。最终，每个作图群体都构建出了包含八个连锁群的遗传图谱，这些连锁群与荠菜的八条单倍体染色体相对应。不同群体的遗传图谱在长度、标记数量和标记间平均距离等方面存在差异。这个遗传连锁图谱就像是一幅详细的地图，为研究人员在荠菜的基因世界里导航提供了重要的依据。

5. QTL 的检测和鉴定

研究人员运用非参数区间作图和多 QTL 区间作图两种方法，对多个性状进行分析，总共检测到了 16 个与测量性状相关的 QTLs，它们分布在八个连锁群上。在检测荚果破碎（PSH2）相关的 QTLs 时，两种方法都发现了一些重要的 QTLs，并且在多个群体和连锁群上都有检测到。对于种子休眠（SD）、植物高度（PH）、单株种子产量（SYPP）、荚果密度（PD）和花序长度（IL）等性状，也分别检测到了相应的 QTLs。这些 QTLs 的发现，就像是找到了控制荠菜性状的 “神秘开关”，为我们改良荠菜的性状提供了关键线索。

6. SNP 变异对目标性状的影响

研究人员进一步研究了 QTLs 两侧双等位基因 SNP 位点的纯合和杂合基因型的表型值差异。结果发现，纯合基因型的表型值往往处于最高或最低水平，而杂合基因型则呈现出中间水平。比如在荚果破碎（PSH2）和植物高度（PH）这两个性状上，就明显体现了这种规律。而且，研究人员还发现了一些与荚果破碎抗性和植物高度相关的特定 SNP 变异。这就好比找到了影响荠菜性状的 “小魔法”，不同的 SNP 变异就像是不同的魔法咒语，能让荠菜展现出不同的性状特征。

7. 位于荚果破碎主要 QTL 中的潜在候选基因

研究人员发现了一个位于 LG5 上的主要 QTL，它对荚果破碎（PSH2）的表型变异解释率高达 17%。通过与拟南芥基因组的共线性分析，研究人员找到了这个 QTL 区域对应的拟南芥染色体上的同源区域，其中包含 770 个候选基因。这些基因涉及到生长发育、植物对生物和非生物胁迫的响应、细胞壁合成、种子和荚果发育等多个方面。这就像是在荠菜的基因宝藏中，找到了一个装满珍贵基因的宝箱，为我们深入了解荠菜荚果破碎的遗传机制提供了丰富的信息。

在这项研究中，研究人员成功构建了荠菜的遗传连锁图谱，并鉴定出了多个与驯化相关性状的 QTLs，还找到了一些潜在的候选基因和与性状相关的 SNP 变异。这些成果为荠菜的驯化和改良提供了重要的基因组资源，就像是为荠菜的 “成长之路” 铺好了坚实的基石。

通过对这些结果的分析和讨论，我们可以看到，这些发现对于荠菜的育种工作具有重要意义。比如，确定的 QTLs 和 SNP 变异可以作为遗传标记，应用于标记辅助选择（MAS）育种，帮助育种家更精准地选择具有优良性状的荠菜植株，加速育种进程。同时，研究中发现的候选基因也为进一步研究荠菜的生长发育和适应环境的机制提供了方向。

不过，研究人员也意识到，目前的研究还存在一些局限性。比如，部分染色体在构建遗传图谱时存在问题，这表明我们对荠菜的基因组了解还不够深入。因此，未来还需要借助更先进的测序技术，构建更高分辨率的遗传图谱，进行更深入的基因组组装和注释。而且，还需要在多种田间条件下对这些作图群体进行表型分析，以研究 QTL 与环境的相互作用，确保这些遗传标记在不同环境下都能稳定发挥作用。

总的来说，这项研究为荠菜的驯化和改良迈出了重要的一步，虽然还有很长的路要走，但它已经为我们指明了方向，让我们对荠菜这种新型作物的未来充满了期待，相信在科学家们的不断努力下，荠菜一定能在农业领域发挥出更大的价值。