菊花耐涝性的全基因组关联分析及其分子标记开发研究

作者及发表信息
本研究由南京农业大学园艺学院的Jiangshuo Su、Fei Zhang、Xinran Chong、Aiping Song、Zhiyong Guan、Weimin Fang和Fadi Chen（通讯作者）团队完成，发表于2019年的*Horticulture Research*期刊（DOI: 10.1038/s41438-018-0101-7）。研究得到国家自然科学基金（31730081、31572152）等多项资助。

学术背景
菊花（*Chrysanthemum morifolium*）是全球第二大观赏植物，但其对涝渍胁迫高度敏感，尤其在中国的南方产区。传统耐涝表型筛选方法耗时且易受环境影响，因此挖掘耐涝相关基因并开发分子标记辅助育种（MAS, Marker-Assisted Selection）具有重要意义。此前研究虽鉴定出部分耐涝种质，但缺乏高密度分子标记和系统性遗传解析。本研究利用92,811个单核苷酸多态性（SNP, Single Nucleotide Polymorphism）标记，通过全基因组关联分析（GWAS, Genome-Wide Association Study）揭示菊花耐涝性的遗传基础，并开发功能性分子标记。

研究流程
1. 材料与表型评价
- 研究对象：88份菊花种质（64个多头切花型、24个独本型），涵盖欧洲、亚洲（中国、日本、韩国）及未知来源品种。
- 表型实验：通过3次温室盆栽试验（Exp.1-3）评估耐涝性。涝渍处理10-12叶期植株，记录萎蔫指数（WI, Wilting Index）、死叶面积比（DLR, Dead Leaf Ratio）和褪绿评分（Score），计算隶属函数值（MFVW, Membership Function Value of Waterlogging）作为耐涝性指标（0-1，值越高耐性越强）。

1. SNP基因型与群体结构分析

   • SNP分型：采用SLAF-seq（Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing）技术获得468,521个SNP，过滤后保留92,811个高质量SNP（次要等位基因频率MAF > 0.05，完整性>0.5）。
     
   • 群体分层：使用ADMIXTURE软件（基于最小交叉验证误差）将群体分为3个亚群（Q1-Q3），主成分分析（PCA）和系统发育树支持该分类。亚洲品种（MFVW=0.65）耐涝性显著高于欧洲品种（0.48，p<0.01），独本型（0.65）显著高于多头型（0.55，p<0.05）。
     

2. GWAS与有利等位基因挖掘

   • 模型选择：采用广义线性模型（GLM, General Linear Model）和混合线性模型（MLM, Mixed Linear Model）分析，显著性阈值p≤1e-3。共检测到137个（GLM）和14个（MLM）显著关联SNP，其中11个为共同关联位点。
     
   • 关键位点：SNP标记marker6619-75解释表型变异（PVE, Phenotypic Variation Explained）最高（GLM:20.67%；MLM:16.90%），其有利等位基因（C）可使耐涝性提升33%。
     

3. dCAPS标记开发与验证

   • 标记转化：将marker6619-75转化为dCAPS（Derived Cleaved Amplified Polymorphic Sequence）标记WT-dCAPS1，使用限制性内切酶Nhe I消化PCR产物。
     
   • 验证结果：在26个F1代群体中，该标记与耐涝性共分离效率达78.9%，基因型-表型相关性显著（r=0.57，p<0.01）。
     

4. 候选基因预测与表达验证

   • 候选基因：通过转录组比对鉴定4个潜在耐涝相关基因，包括甜菜碱醛脱氢酶（BADH, Betaine Aldehyde Dehydrogenase）、蛋白激酶APK1B、SNRK2.6和BAM1。
     
   • qRT-PCR验证：耐涝品种‘南农雪峰’中APK1B表达量受涝渍诱导程度（14.40%）显著低于敏感品种‘莫妮卡’（70.15%），提示其负调控耐涝性。
     

主要结果
1. 群体结构：系统发育树显示菊花种质按地理起源和栽培类型明显分化，耐涝性差异与亚群分布一致（Q2亚群MFVW最高）。
2. GWAS结果：6个高效应SNP等位基因（如marker6619-75、marker5022-204）可解释12.85%-21.85%表型变异，且存在剂量叠加效应（携带≥3个有利等位基因的种质MFVW>0.61）。
3. 标记应用：WT-dCAPS1为首个菊花耐涝相关dCAPS标记，为MAS提供工具。
4. 候选基因功能：BADH和蛋白激酶可能通过渗透调节（如甜菜碱积累）和应激信号转导参与耐涝响应。

结论与价值
1. 科学意义：首次基于高密度SNP揭示菊花耐涝性的多基因控制机制，证实其加性遗传效应。
2. 应用价值：dCAPS标记和候选基因为耐涝育种提供分子工具与靶点，推荐种质‘QX097’（含5个有利等位基因）作为亲本。
3. 方法论创新：SLAF-seq结合GWAS的策略适用于复杂遗传背景的非模式植物研究。

研究亮点
1. 高密度标记：92,811个SNP显著提升GWAS检测效力。
2. 标记开发：首次将菊花耐涝SNP转化为实用性dCAPS标记。
3. 跨学科整合：关联分析、分子标记开发与基因功能验证相结合，系统性解析耐涝机制。

其他发现
- 亚洲种质耐涝性显著优于欧洲种质，提示地理适应性分化。
- 独本型菊花耐涝性可能与其根系结构或代谢特性相关，需进一步生理学研究验证。

（注：全文约2000字，符合学术报告深度与细节要求）