《Journal of Integrative Agriculture》解析棉花抗黄萎病遗传密码：挖掘关键基因助力棉花育种

为解决棉花黄萎病影响产量问题，石河子大学研究人员开展相关研究，鉴定出 19 个 SNP 和 2 个候选基因，为育种提供资源。

　　

棉花作为全球重要的经济作物，在纺织和油料生产领域占据着举足轻重的地位。然而，黄萎病（Verticillium wilt）却如同幽灵一般，严重威胁着棉花的产量和质量。黄萎病是由土壤中的半寄生真菌大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）引起的，它就像一个潜伏在地下的 “破坏者”，在棉花生长过程中，通过根系侵入，分泌各种毒素，堵塞棉花的维管束，阻碍水分和矿物质的运输，导致棉花叶片枯萎、脱落，光合作用下降，棉铃发育不良，最终造成产量大幅降低。

多年来，科研人员一直在努力探索棉花抗黄萎病的奥秘。虽然已经通过各种方法定位了一些与黄萎病抗性相关的数量性状位点（QTL），但这些研究成果大多存在诸多问题。比如，QTL 对黄萎病抗性的解释率较低，与目标基因之间的遗传距离较大，定位准确性不足，而且许多 QTL 尚未在育种过程中得到有效验证和应用。同时，虽然也发现了一些与黄萎病抗性相关的基因，但它们与抗性之间的直接遗传关系尚未通过分子连锁图谱明确建立。因此，深入剖析棉花抗黄萎病的遗传基础，挖掘关键的抗性基因，成为了棉花育种领域亟待解决的重要课题。

为了攻克这一难题，石河子大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们利用多亲本高代互交群体（MAGIC）和全基因组关联研究（GWAS）技术，深入挖掘棉花抗黄萎病的遗传资源，旨在为棉花抗黄萎病育种提供有力支持。相关研究成果发表于《Journal of Integrative Agriculture》期刊。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：
一是构建 MAGIC 群体，选取 8 个具有不同抗黄萎病特性的棉花亲本材料，经过多代杂交和纯化，构建了包含 320 个家系的 MAGIC 群体。
二是进行表型鉴定，在温室中对 MAGIC 群体进行黄萎病接种实验，采用定量浸根接种法，以落叶菌株 V991 为病原菌，在棉花幼苗达到 “两叶一心” 期时进行接种，通过 5 级分类标准评估棉花的发病情况，并计算平均相对病指（ARDI）。
三是开展基因分型和数据分析，对 MAGIC 群体进行 DNA 测序和 SNP 标记筛选，运用多种软件进行群体结构分析、主成分分析（PCA）和 GWAS 分析，同时结合基因注释和表达分析筛选候选基因。

研究结果如下：

1. 表型分析：MAGIC 群体对黄萎病抗性的 ARDI 值在三个重复实验中表现出显著的表型变异，范围为 16.7 - 79.4，这表明群体中既有高感材料，也有高抗材料。而且，ARDI 值在不同重复间呈现出一致的分布趋势，R3（由 R1 和 R2 的平均值得到）的 ARDI 值分布更接近正态分布，与单个重复的相关性较高，是评估黄萎病抗性趋势的可靠指标。同时，相关性分析显示，R1 和 R3、R2 和 R3 的 ARDI 值之间存在显著正相关，而 R1 和 R2 之间的相关性不显著。

2. 群体结构和 PCA 分析：通过群体结构分析和 PCA，研究人员将 MAGIC 群体分为三个亚组。其中，Group I 表现出较高的遗传变异，而 Groups II 和 III 在抗黄萎病特性上表现出更高的同质性和一致性。进化树分析进一步明确了各亚组之间的遗传关系，8 个亲本在不同亚组中的分布也揭示了 MAGIC 群体与亲本基因型之间的联系。

3. GWAS 分析：利用混合线性模型（MLM）进行 GWAS 分析，研究人员以 - log10P > 4 为筛选标准，在 MAGIC 群体中鉴定出 19 个与黄萎病抗性显著相关的 SNP 位点。这些位点分布在 A01、A02 和 D01 三条染色体上，其中 A01 染色体上有 16 个，A02 染色体上有 2 个，D01 染色体上有 1 个。这些 SNP 位点中包含不同类型的变异，如 7 个位于 5' UTR，6 个位于 3' UTR，还有 2 个错义变异和 4 个同义变异。

4. 候选基因筛选：基于 GWAS 分析结果，研究人员进一步筛选候选基因。通过对候选基因在不同组织中的表达模式分析，以及在抗、感黄萎病棉花品种接种大丽轮枝菌后的表达差异分析，最终确定了两个最有可能与抗黄萎病相关的候选基因，即 Ghir_A01G006660 和 Ghir_A02G008980。这两个基因分别属于硫胺素生物合成基因家族和同源盒 - 亮氨酸拉链蛋白家族，在植物的抗逆过程中可能发挥着关键作用。

研究结论和讨论部分指出，本研究鉴定出的 19 个与棉花黄萎病抗性相关的 SNP 位点，与先前研究中报道的位点有相当程度的重叠，这表明利用 328 个棉花品系进行 GWAS 分析，适用于鉴定与黄萎病抗性相关的显著 SNP。两个关键候选基因 Ghir_A01G006660 和 Ghir_A02G008980 的发现，为进一步研究棉花抗黄萎病的分子机制提供了重要线索。Ghir_A01G006660 编码的硫胺素在植物防御系统和代谢过程中发挥着重要作用，对增强棉花对黄萎病的抗性具有重要意义；Ghir_A02G008980 编码的 HD - Zip 蛋白家族成员参与植物的生长发育和应激反应调节，在棉花抵御黄萎病的过程中可能起到关键作用。然而，这些基因在棉花抗黄萎病中的具体功能和作用机制，仍需要进一步的实验验证。

总的来说，这项研究通过 MAGIC 群体和 GWAS 技术，为棉花抗黄萎病的遗传机制研究提供了新的视角和重要信息。鉴定出的 SNP 位点和候选基因，为棉花抗黄萎病的分子标记辅助育种提供了宝贵的遗传资源，有望加速培育出具有高抗黄萎病特性的棉花新品种，从而有效应对黄萎病对棉花产业的威胁，推动棉花产业的可持续发展。