利用多亲本高代杂交群体解析生菜重要农艺性状的遗传结构，为育种带来新契机

《Genome Biology》：Dissecting the genetic architecture of key agronomic traits in lettuce using a MAGIC population

为解决生菜遗传分析难题，研究人员构建 MAGIC 群体开展研究，鉴定出众多相关位点和基因，意义重大。

　　生菜，作为全球餐桌上备受青睐的叶菜明星，在 2022 年全球生菜和菊苣的总产量高达 2714.9 万吨。它不仅口感清爽，还因丰富多样的叶色和叶形，为人们带来视觉与味觉的双重享受。然而，生菜复杂的遗传背景却让科研人员们头疼不已。不同园艺类型的生菜，就像一个个神秘的小团体，有着各自独特的遗传密码，这种强烈的群体结构给遗传分析工作设置了重重障碍，使得解析生菜重要农艺性状的遗传机制变得困难重重。比如在叶色方面，虽然已经发现了一些相关基因，但仍有未知基因等待探索；叶形的发育调控也十分复杂，受多个基因影响；而对于生菜来说，晚抽薹和开花是重要的育种目标，可其开花时间受多种途径调控，相关基因的作用在不同植物中差异显著。在这样的背景下，为了深入了解生菜的遗传奥秘，华中农业大学的研究人员勇敢地迎接挑战，开展了一项极具意义的研究。

研究人员精心挑选了 14 份栽培生菜和 2 份野生祖先种作为奠基亲本，构建了首个生菜多亲本高代杂交群体（MAGIC）。随后，对该群体进行了全基因组测序和高通量表型分析，并通过全基因组关联研究（GWAS）鉴定与重要农艺性状相关的位点和基因，利用双亲分离群体和 CRISPR/Cas9 基因编辑技术进行验证。最终，研究成果发表在《Genome Biology》上，为生菜的遗传改良和育种提供了宝贵的资源和理论依据。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是构建 MAGIC 群体，通过精心选择 16 个不同的奠基亲本进行杂交和多代自交，获得了 381 个自交后代用于后续研究。其次是全基因组测序技术，对 16 个奠基亲本和 381 个自交后代进行测序，获取了大量的遗传数据，为分析群体结构和鉴定遗传变异奠定基础。然后是高通量表型分析，利用高光谱成像（HSI）、RGB 成像和 3D 扫描等技术，精确测量生菜的叶形、叶色等多种表型性状。最后，通过 GWAS 分析，结合生物信息学方法，鉴定与各性状相关的基因位点，并利用 CRISPR/Cas9 技术对关键基因进行功能验证 。

研究结果令人惊喜。在 MAGIC 群体构建方面，16 个奠基亲本涵盖多种园艺类型，杂交后代经过多代自交形成 381 个自交后代。测序分析显示，该群体遗传变异丰富，群体结构不明显，连锁不平衡（LD）衰减距离为 279.3 kb，非常适合进行 GWAS 分析。

在叶色和茎色相关基因的研究中，研究人员通过 GWAS 分析，发现了多个与叶色相关的位点。其中 9 个位点与叶色显著相关，部分位点与已知基因重合，还有 5 个是首次发现。对于茎色，鉴定出 2 个显著位点，与部分叶色位点重合。通过基因敲除实验证实，bHLH 和 ANS 基因分别在调控生菜红茎和红叶的形成中发挥关键作用，但控制叶色的 MYB 转录因子基因 qLC7 对茎色变异无影响，表明红茎和红叶的形成既有重叠的调控通路，也有各自的特异性成分。

在开花时间相关基因的研究上，研究人员在不同季节进行 GWAS 分析，共鉴定出 51 个与开花时间相关的位点，其中 33 个为首次发现。通过双亲分离群体和基因编辑技术验证，发现 LsphyB 和 LsphyC 基因的功能丧失突变会导致生菜开花延迟，这与在其他植物中的作用相反 。

针对叶形和大小相关基因，研究人员利用多种成像技术测量叶形和大小相关的性状，通过 GWAS 分析鉴定出多个相关位点，并预测了候选基因。如 LG5495730 基因的插入导致叶片弯曲，LG1103550 基因的不同等位基因影响叶片长度，LG6568660 基因的错义突变与叶片宽度和面积相关 。

此外，研究还发现，插入的反转录转座子破坏了 LsTCP4 基因的 UTR，使其表达下调，从而导致叶片变皱；而一个新的锌指蛋白（ZFP）基因发生点突变，失去功能，使得生菜叶片从有裂片变为无裂片。

在研究结论与讨论部分，该研究构建的生菜 MAGIC 群体，成功打破了原有的群体结构，极大地提高了复杂性状遗传解析的效率。研究鉴定出的大量与重要农艺性状相关的位点和候选基因，为生菜的分子育种提供了丰富的遗传资源，有助于培育出更优质、更适应环境的生菜品种。不过，研究也存在一些局限性，比如由于 MAGIC 群体中缺乏形成叶球的自交系，无法对叶球形成这一重要性状进行 GWAS 分析。未来的研究可以进一步优化群体构建，深入探究未被揭示的遗传机制，为生菜的遗传改良和产业发展注入新的活力。