高通量表型平台解析小麦穗形态基因组驱动因素及育种选择规律

本研究通过开发高通量表型平台，对1,359份小麦种质的54个穗形态性状进行精准测量，结合全基因组关联分析(GWAS)揭示了穗长、穗宽和穗厚等性状的地理分化遗传基础，发现现代育种打破了穗长与宽度/厚度间的权衡关系，为小麦穗型分子设计育种提供了重要资源。论文发表于《Cell Reports》。

　　

小麦作为全球三大主粮作物之一，其穗部形态直接影响籽粒产量和环境适应性。然而传统研究中低分辨率的穗部表型分析限制了对其遗传架构的精确解析，且现代育种过程中穗部形态的改良机制尚不明确。这些关键问题的存在，使得通过分子设计优化小麦穗型结构面临重大挑战。

中国科学院植物研究所的研究团队在《Cell Reports》发表重要成果，通过创新性开发高通量表型平台，结合大规模基因组分析，系统揭示了小麦穗形态变异的遗传基础和育种选择规律。该研究为小麦产量性状的分子设计育种提供了全新思路和基因资源。

研究采用三大关键技术方法：(1)自主开发的高通量穗形态数字化平台，可精确测量54个穗部性状；(2)对306份全球小麦种质和1,053份中国育成品种进行全基因组关联分析(GWAS)，鉴定出465个相关基因组区域；(3)构建重组自交系(RIL)、双单倍体(DHL)和近等基因系(NIL)群体验证候选基因功能。

研究结果部分：

"穗形态性状间的相关性"显示，穗体积与穗重、籽粒重呈显著正相关，但在全球种质中穗长与穗宽/厚度存在负相关，而现代育种打破了这种权衡关系。

"地理分化分析"发现亚洲和欧洲小麦在穗形态上存在明显分化，如东亚品种普遍具有短穗特征，相关单倍型(W-trait3-2D.1的Hap3)频率高达81%。

"育种选择趋势"表明，中国小麦育种在过去百年中持续增加穗宽和厚度，使穗体积相关优良单倍型频率从12.6%提升至61.1%，其中穗重相关位点C-trait1-5B.2的Hap2是主要选择靶点。

"单倍型组合效应"分析揭示，同时携带穗长、穗宽和穗厚优良单倍型的C7、C8组合在现代品种中频率显著增加，使穗体积提升53.2%。

"候选基因验证"确认TraesCS1D02G068300基因的非同义突变可显著改变穗宽，其ATG单倍型使穗体积增加53.23%；而TraesCS6B02G126000的G等位基因可使穗顶端体积提升9.39%。

该研究系统解析了小麦穗形态变异的基因组驱动因素，首次揭示现代育种通过选择协同调控穗长和穗宽的单倍型打破了自然种质中的性状权衡关系。创新性开发的高通量表型平台为作物复杂性状研究提供了新范式，鉴定出的465个基因组区域和关键基因如TraesCS1D02G068300等为小麦分子设计育种提供了精准靶点。研究还发现不同穗部空间位置的体积可独立调控，这为通过模块化设计优化穗型结构开辟了新途径。这些发现对实现小麦产量突破和适应性改良具有重要指导意义。