基于单倍型的大麦初生根角度遗传解析及其在精准育种中的应用

这篇综述通过单倍型定位方法（haplotype-based mapping）系统分析了大麦（Hordeum vulgare L.）初生根角度（SRA）的遗传基础，揭示了染色体5H上两个新区域和3H上已知位点RAQ1的关联性。研究强调了大麦育种中多基因性状的无意识选择现象，并提出整合基因组选择（GS）与基因编辑（如CRISPR）技术可加速根系构型（RSA）改良，为应对气候变化下的作物适应性提供新策略。

　　

摘要

大麦作为全球第四大谷物，其根系构型（RSA）对水分和养分获取至关重要。本研究通过单倍型定位方法，在816份大麦种质（包括地方品种和现代栽培种）中解析初生根角度（SRA）的遗传多样性，发现染色体5H上两个新区域和3H上已知位点RAQ1的显著关联。研究揭示了SRA的高度数量性状特征，并指出商业育种中可能通过冠层或产量相关多基因性状无意识筛选了SRA变异。

引言

大麦的适应性与其根系构型密切相关，但田间表型检测的瓶颈限制了遗传研究进展。玻璃温室表型技术（如透明盆法）为高通量SRA测定提供了可行方案。此前研究虽鉴定出多个SRA相关QTL（如5H上的qRA-5/RAQ2），但单标记关联分析未能充分反映连锁不平衡（LD）模式。本研究首次采用单倍型效应值（local GEBV）方法，更贴近育种中染色体块遗传的实际模式。

材料与方法

实验材料包含澳大利亚谷物基因库（AGG）的384份种质和InterGrain核心种质（IGG）的432份现代品种。通过透明盆法测定SRA，结合40K SNP芯片基因型数据，利用线性混合模型（LMM）和限制性最大似然法（REML）进行多环境分析。单倍型区块（haploblock）按LD阈值r²≥0.3划分，通过岭回归计算效应值。

结果

1. 表型变异：SRA广义遗传力为0.65，IGG种质SRA范围（41.8°–99.6°）窄于AGG（48.3°–103.7°），暗示育种中的无意识选择。

2. 群体结构：主成分分析（PCA）显示IGG与欧洲种质聚类，而AGG亚洲种质独特性显著。

3. 关键遗传区域：5H上b001908（含258个SNP，效应值±0.6°）和b001923为新高方差区块，3H上b001027与RAQ1共定位。

4. 单倍型效应：欧洲种质携带5H负效应单倍型（降低SRA），而美洲种质在RAQ1位点呈现强负效应。

5. 模拟叠加：堆叠2815个负效应单倍型可使SRA降低30°，但IGG种质单独仅能实现27°改良，表明全球种质库的潜在价值有限。

讨论

1. 育种启示：SRA的强多基因特性使得传统标记辅助选择效率低下，需依赖基因组选择（GS）等全基因组方法。

2. 技术整合：基因编辑靶向关键基因（如5H上的EGT2或拟南芥同源基因PIN2）可能突破自然变异的限制，此前研究显示EGT2功能缺失可使根角减少50%。

3. 环境适配：北欧品种SRA均值达95°，显著高于澳大利亚种质，反映不同土壤水文条件下的适应性分化。

结论

本研究首次通过单倍型定位揭示大麦SRA的复杂遗传架构，强调结合预测育种（如GS）和精准编辑（如CRISPR）是优化根系适应性的关键路径。未来需进一步解析根系发育分子机制，并验证不同SRA表型在特定环境下的产量效应。