棉籽油性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析研究進展

摘要 棉籽油味道柔和，色澤金黃，在各種食品中起著至關(guān)重要的作用。此外，棉籽油因其獨特的脂肪酸特性、抗炎和心臟保護特性而備受關(guān)注。因此，了解調(diào)控棉籽貯藏油生物合成的遺傳機制，開展關(guān)鍵基因挖掘，選育高油優(yōu)質(zhì)棉花品種具有重要意義。隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析工具的快速發(fā)展，全基因組測序變得更加簡單高效，使得全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)（GWAS）成為了研究復(fù)雜性狀的一種核心工具。介紹了GWAS的原理及研究優(yōu)勢，論述GWAS在不同油料作物及棉花性狀研究中的應(yīng)用進展。并對今后棉籽油相關(guān)性狀的遺傳研究提出了一些建議，對存在的問題進行探討及展望，旨在為今后利用GWAS進行棉籽油性狀遺傳基礎(chǔ)的研究及分子標(biāo)記輔助育種提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 棉籽油；GWAS；復(fù)雜性狀；基因

中圖分類號 S562 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0011-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.003

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Progress in Genome-wide Association Analysis of Cottonseed Oil Traits

LIU Wen-hao，YU Yu，WU Ke et al

（Cotton Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science / Northwest Inland Region Key Laboratory of Cotton Biology and Genetic Breeding，Ministry of Agriculture and Rural Areas，Shihezi，Xinjiang 832000）

Abstract Cottonseed oil，soft in taste and golden in color，plays a crucial role in various foods.In addition，cottonseed oil has attracted much attention due to its unique fatty acid properties，anti-inflammatory and heart protective properties.Therefore，it is of great significance to understand the genetic mechanism that regulates the biosynthesis of cottonseed storage oil，carry out key gene mining，and select high-quality cotton varieties with high oil content.With the rapid development of high-throughput sequencing technology and bioinformatics analysis tools，whole genome sequencing has become simpler and more efficient，genome-wide association analysis （GWAS） has become a key tool for studying complex traits.This paper introduces the principle and research advantages of GWAS，discusses the progress of its application in the research of different oil crops and cotton characters.Some suggestions for future genetic studies of cottonseed oil related traits were put forward.The existing problems were discussed and prospected in order to provide a theoretical basis for future studies on the genetic basis of cottonseed oil traits and marker-assisted breeding by GWAS.

Key words Cottonseed oil;GWAS;Complex traits;Genes

基金項目

棉花生物學(xué)國家重點實驗室開放課題（CB2022A27）; 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師重大科技計劃（KY2022ZD02）；國家重點研發(fā)計劃子課題（2022YFD1200305-3）。

作者簡介 劉文豪（1992—），男，安徽界首人，助理研究員，碩士，從事棉花育種研究。*通信作者，研究員，碩士，從事棉花育種研究。

收稿日期 2023-09-04

棉花是世界上重要的纖維作物，約占全球纖維消費總量的35%［1］。也是僅次于大豆、棕櫚、油菜籽和向日葵的第五大油料作物［2］。棉花作為食品、飼料和可再生纖維的主要商業(yè)商品在30多個國家種植［3］。棉纖維和棉籽的產(chǎn)量比例通常為1∶1.65，棉籽是棉花中僅次于纖維的第二大有價值的成分［4］。棉籽是人類食用油的主要來源［5］，整粒棉籽或榨油后的棉粕是動物飼料的常用來源［6］。棉籽含有豐富的蛋白質(zhì)（20%～25%）、油脂（18%～25%）、碳水化合物、纖維素和礦物質(zhì)元素［7］，具有較高的利用價值［8］。隨著無腺體棉籽的出現(xiàn)，提高棉籽的利用率已成為近年來研究的一個熱門話題［9］。

植物油具有特殊的理化性質(zhì)，在人類營養(yǎng)飲食中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［10］。棉籽油（CSO）由于其高纖維含量和抗自氧化的穩(wěn)定性而受到越來越多的關(guān)注［9］。據(jù)報道，棉籽油在各種食品中起著至關(guān)重要的作用，如起酥油、人造黃油、液體油和其他加工脂肪，而在家庭、餐館和食品加工商制作的食品中，棉籽油也已成為重要的成分［11］。精制棉籽油味道柔和，色澤金黃，用于制作餅干、薯片、甜甜圈和冰激凌［10］。此外，棉籽油因其獨特的脂肪酸特性、抗炎和心臟保護特性而在全球食用油市場上享有良好聲譽［9］。Son等［12］研究發(fā)現(xiàn)，富含棉籽油的飲食改善脂肪肝雄性小鼠模型的肝臟和血漿脂質(zhì)水平。Sun等［13］研究發(fā)現(xiàn)，棉籽油是一種脂溶性溶劑，可通過抑制脫鐵作用減輕缺血性腦卒中損傷和氧化應(yīng)激，對缺血性腦卒中的神經(jīng)保護提供了一種新的潛在治療機制。Liu等［14］發(fā)現(xiàn)，棉籽油通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥激活來減輕缺血性腦卒中損傷。Park等［15］研究證明，棉籽油通過減少炎癥細(xì)胞因子和氧化應(yīng)激標(biāo)志物對葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的腸道炎癥具有保護作用。此外，除了用作食用油外，棉籽油在化妝品、農(nóng)業(yè)和化學(xué)品等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用［9］。隨著豆油等常見植物油脂來源的短缺，迫切需要為肉雞生產(chǎn)商尋找替代油脂來源。Yang等［16］研究發(fā)現(xiàn)，精制棉籽油可替代肉雞日糧中的大豆油作為關(guān)鍵飼料成分。近來，使用棉籽油作為生物柴油的原料，也引起了相當(dāng)大的關(guān)注，與化石燃料相比，棉籽油具有負(fù)碳特性，可以顯著減少二氧化碳排放［17］。

棉花作為一種四倍體物種，有著復(fù)雜的遺傳基礎(chǔ)和豐富的遺傳機制，這些遺傳機制支撐著棉籽中各種有價值代謝產(chǎn)物的積累和覆蓋種子的纖維發(fā)育［4］。截至目前，棉花研究主要集中在棉纖維的產(chǎn)量和質(zhì)量上。而種子性狀的研究集中于種子發(fā)芽和種子大小，其他的種子性狀研究相對較少。因此，盡管棉籽具有豐富的可用性和良好的改良潛力，但其研發(fā)重點一直落后于其他油料作物［4］。隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)工具的快速發(fā)展，全基因組測序變得更加簡單方便，使得全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）成為了研究復(fù)雜性狀的一種強大而普遍的工具［18］。GWAS具有定位精確度高和檢測范圍廣的優(yōu)點，被廣泛用于剖析一些主要作物的復(fù)雜性狀［19］。例如花生［20］、水稻［21］、玉米［22］以及大豆［23］等作物的分子標(biāo)記輔助育種研究。該研究總結(jié)了GWAS技術(shù)在棉籽油品質(zhì)性狀相關(guān)基因挖掘中的研究進展，為今后通過分子標(biāo)記輔助育種途徑改善油料作物品質(zhì)提供參考借鑒。

1 GWAS研究概述

一個物種的遺傳多態(tài)性和個體之間觀察到的表型差異的因果關(guān)系具有重要的生物學(xué)意義。預(yù)測人類疾病的遺傳風(fēng)險因素，或者研究植物生長速度和產(chǎn)量等重要農(nóng)藝性狀，需要了解表型背后的特定基因座和性狀的遺傳結(jié)構(gòu)。表型和基因型之間的這種關(guān)系一直備受關(guān)注［24］。正向遺傳學(xué)是解決這些問題的一個非常強大的工具，在正向遺傳學(xué)中，許多基因型不同的個體都會被篩選出目標(biāo)表型。一般來說，被篩選的原始遺傳差異是通過誘變或從自然群體中取樣獲得的。任何已鑒定的表型差異都通過各種定位方法與潛在的功能基因座聯(lián)系起來。2000年至今，進行基因研究所需的技術(shù)和分析工具越來越容易獲得，高密度SNP陣列和DNA重測序已經(jīng)應(yīng)用于許多生物的大部分基因型空間，包括人類［25］和擬南芥［26］。而且人們對研究遺傳因素引起的變化影響越來越感興趣［27］。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）是近些年用于解析動植物復(fù)雜數(shù)量性狀的一種常見方法，將群體基因組中表型與其潛在遺傳學(xué)之間的點聯(lián)系起來［1］。它最早被開發(fā)并應(yīng)用于人類疾病遺傳學(xué)領(lǐng)域。作物研究的許多領(lǐng)域都將GWAS納入了植物研究中。GWAS的目的是確定單核苷酸多態(tài)性（SNPs），其等位基因頻率作為表型特征值的函數(shù)而系統(tǒng)變化。特征相關(guān)SNPs的鑒定對這些表型背后的生物學(xué)機制提供了新見解。技術(shù)進步方便了人們系統(tǒng)研究分布在整個基因組中的大量SNP帶來的影響［27］。GWAS已迅速成為復(fù)雜疾病和育種性狀遺傳研究的有力工具［28］。

2 GWAS研究的優(yōu)點

傳統(tǒng)的植物QTL鑒定依賴基于群體的連鎖分析或基于自然群體的連鎖不平衡（LD）分析［29］。鑒于需要大的種群規(guī)模、高分辨率的連鎖圖譜和可靠的表型來確保檢測的準(zhǔn)確性，這些因素使得連鎖分析存在基本的局限性，很難識別QTL背后的關(guān)鍵基因［30］。首先，QTL定位只能分析在特定F2雜交的親本之間或RIL群體內(nèi)分離的等位基因多樣性［31］。其次，在RIL群體的創(chuàng)建過程中發(fā)生的重組量限制了作圖分辨率［32］。相反，GWAS克服了上述QTL分析的兩個主要局限性，可以利用歷史重組將QTL解析到基因水平。它的廣泛采用解析了復(fù)雜性狀的相關(guān)變異或候選基因的快速鑒定。GWAS利用了具有豐富變異的自然群體，可以精確定位進化過程中自然群體中積累的多個等位基因［33］。

3 GWAS在不同油料作物性狀研究中的應(yīng)用

油料作物的品質(zhì)性狀是由多基因共同控制的數(shù)量性狀［34］。近年來，GWAS已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)油料作物品質(zhì)性狀相關(guān)遺傳基礎(chǔ)有力和有效的研究方法，并取得了一系列的研究進展［35］。栽培花生是一種提供食用油和蛋白質(zhì)的主要油料作物，其日益增長的市場需求可以通過對產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳改良來滿足，Wang等［36］對195份花生材料進行GWAS分析，確定基因組區(qū)域內(nèi)的36個候選基因，這些基因可能參與確定花生產(chǎn)量相關(guān)性狀的表型變異。種皮顏色是一種典型的形態(tài)特征，可以用來揭示大豆的進化過程。Yang等［37］利用QTL定位和GWAS鑒定到3個大豆種皮相關(guān)性狀的候選基因。為了深入解析中國大豆種質(zhì)水溶性蛋白的遺傳基礎(chǔ)，沈甲誠等［38］以224份大豆種質(zhì)為試驗材料進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，在區(qū)間內(nèi)共獲得25個候選基因。芝麻是一種重要而傳統(tǒng)的油料作物，芝麻的種皮顏色與蛋白質(zhì)和油脂代謝中涉及的生化功能以及抗氧化劑含量有關(guān)。Cui等［39］對12個環(huán)境中的366個芝麻種質(zhì)材料進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，在與芝麻種皮顏色最顯著相關(guān)的4個SNPs附近鑒定出92個候選基因。在芝麻中，脂肪酸（FA）生物合成和三酰甘油（TAGs）組裝的調(diào)節(jié)機制仍然存在很大未知。Zhou等［40］通過全基因組關(guān)聯(lián)分析和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)挖掘揭示了芝麻脂肪酸生物合成的新基因座和1個候選調(diào)控基因。干旱脅迫會嚴(yán)重限制向日葵的產(chǎn)量和質(zhì)量，為了了解抗旱性的潛在機制，并確定抗旱育種的候選基因，Wu等［41］以收集到的226個向日葵自交系進行了GWAS和RNA-seq分析，鑒定出4個參與干旱反應(yīng)的脫落酸相關(guān)蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子。分枝數(shù)是影響甘藍(lán)型油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要性狀，He等［42］對甘藍(lán)型油菜的GWAS、QTL定位和基因表達(dá)分析揭示了分枝形態(tài)發(fā)生的遺傳控制。通過對幾種重要油料作物不同性狀的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了多個關(guān)鍵基因，為油料作物遺傳改良和分子育種提供了新的依據(jù)。

4 GWAS在棉花中的研究應(yīng)用

棉花育種計劃取決于預(yù)先確定的育種目標(biāo)。例如，紡織業(yè)需要精細(xì)纖維，而棉農(nóng)的需求是獲得高產(chǎn)品種。GWAS為研究棉花作物的自然變異和主要農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系提供了機會［1］。研究人員在棉花作物的纖維和產(chǎn)量的關(guān)注較多。識別控制纖維品質(zhì)性狀和產(chǎn)量組成的數(shù)量性狀基因座（QTL）對未來的標(biāo)記輔助選擇和候選基因功能鑒定具有重要意義［43］。Chen等［44］通過對陸地棉纖維品質(zhì)性狀的GWAS，確定了與棉花纖維品質(zhì)相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNP）位點，為挖掘優(yōu)質(zhì)棉纖維基因資源及其在分子育種中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Ma等［45］對12個環(huán)境中的419份陸地棉核心種質(zhì)的重測序確定了影響纖維質(zhì)量和產(chǎn)量的基因組變異和基因座。Li等［46］通過重測序?qū)?69份陸地棉材料的主要早熟性狀，包括苗期（SP）、芽期（BP）、花鈴期（FBP）和生長期（GP）的變異進行了研究，確定了Gh_D01G0340和Gh_D01GO341是改善棉花早熟的潛在候選基因。Su等［47］應(yīng)用單基因座和多基因座全基因組關(guān)聯(lián)研究中國早熟陸地棉的遺傳檢測，共鑒定出4和45個與皮棉相關(guān)的顯著數(shù)量性狀核苷酸。鈴重是棉花產(chǎn)量構(gòu)成性狀的關(guān)鍵決定因素，F(xiàn)eng等［48］采用GWAS檢測陸地棉多環(huán)境下穩(wěn)定的優(yōu)良單倍型和潛在的鈴重候選基因。GWAS已成為利用基因組變異探索棉花相關(guān)性狀遺傳基礎(chǔ)的重要工具。

GWAS在棉花育種的其他重要方面也有關(guān)注，如抗蟲性、土壤鹽堿、干旱、病毒性疾病耐受性和雜草脅迫耐受性。棉花經(jīng)常受到病原體和昆蟲的攻擊，最有效的控制策略是利用廣譜基因資源開發(fā)抗性品種。Chen等［49］利用GWAS鑒定的GhnsLTPs的組織特異性表達(dá)通過調(diào)節(jié)代謝來協(xié)調(diào)棉花的疾病和昆蟲抗性。土壤鹽堿化是影響棉花生產(chǎn)的主要非生物脅迫因素，因此，選擇和利用耐鹽種質(zhì)資源、挖掘耐鹽基因?qū)μ岣啕}堿地棉花產(chǎn)量具有重要意義。Zheng等［50］分析了149種棉花材料的群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性，在與表型相關(guān)的SNP基因座上，檢測到與植物耐鹽性相關(guān)的6個基因。干旱一直是影響棉花生長的最關(guān)鍵的非生物脅迫之一，提高棉花的抗旱性，不僅要通過灌溉，還要通過基因改良方案。Li等［51］基于表型組學(xué)的GWAS分析揭示了棉花抗旱性的遺傳結(jié)構(gòu)。目前，GWAS在棉花產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆相關(guān)性狀研究中鑒定出一些相關(guān)的位點，這些關(guān)鍵位點將為培育優(yōu)質(zhì)棉花新品種奠定重要基礎(chǔ)。

5 GWAS在棉籽油性狀中的應(yīng)用

棉籽是生產(chǎn)植物蛋白、食用油和柴油發(fā)動機替代生物燃料的最重要可再生資源之一［52］。棉籽粕干燥后可以用作有機肥料，可與其他天然肥料混合使用，改善土壤質(zhì)量和保持水分含量［10］。棉籽蛋白被認(rèn)為是一種營養(yǎng)豐富的食品添加劑和優(yōu)質(zhì)高蛋白飼料，已廣泛應(yīng)用于各種食品加工中［8］。除了富含蛋白質(zhì)外，棉籽油也是高質(zhì)量的有價值的部分，它由大約70%的不飽和脂肪酸和30%的飽和脂肪酸組成。棉籽油由于其顯著的成本優(yōu)勢及風(fēng)味還原度低、抗氧化劑（維生素E）和不飽和脂肪酸含量高的特點，已成為食用油的重要來源［53］。棉籽油的脂肪酸組成決定了其工業(yè)應(yīng)用和營養(yǎng)價值。然而，在了解棉籽油的生物成因方面進展甚微。

為了更好地了解調(diào)控棉籽貯藏油生物合成的遺傳機制，Gong等［54］通過多重連鎖分析和GWAS鑒定了棉籽籽粒含油量的主要數(shù)量性狀基因座/核苷酸（QTL/QTNs）中所含的基因。為了檢測與棉籽含油量相關(guān)的QTLs，并鑒定調(diào)控油脂生物合成的候選基因，Ma等［55］通過GWAS在多個環(huán)境中鑒定了13個QTL，這些QTL與13條染色體上的53個常見SNPs相關(guān)。而且在病毒誘導(dǎo)的基因沉默抑制了棉花中GhPRXR1基因的表達(dá)可使油含量降低18.11%。Wang等［56］對棉花溶血磷脂酰基轉(zhuǎn)移酶（LPAAT）基因家族的全基因組分析， 發(fā)現(xiàn)LPAAT基因的自然變異對提高棉籽油含量和纖維品質(zhì)是有限的。但Gh13LPAAT5的過表達(dá)可以顯著增加總TAG和其他脂肪酸的產(chǎn)生，為進一步研究利用LPAAT轉(zhuǎn)基因通過生物技術(shù)增加棉籽油含量提供了理論支持。Shang等［57］通過棉花SAD基因家族候選基因的鑒定及其在棉籽油成分測定中的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)GhSAD4的表達(dá)與棉籽中油酸含量、亞油酸含量密切相關(guān)，表明GhSAD4在棉籽油組成中起著重要作用。為了研究陸地棉種子營養(yǎng)物質(zhì)的遺傳結(jié)構(gòu)，在3種環(huán)境下對196份種質(zhì)資源進行了全基因組關(guān)聯(lián)研究，共發(fā)現(xiàn)47個SNPs標(biāo)記和28個候選數(shù)量性狀基因座（QTL）區(qū)域與7種棉籽營養(yǎng)物質(zhì)（包括蛋白質(zhì)、總脂肪酸和5種主要脂肪酸成分）顯著相關(guān)［58］。Liu等［59］發(fā)現(xiàn)，GhFAD2-1和GhFATB同時沉默的轉(zhuǎn)基因棉花的成熟種子中，油酸含量為38.25%，相應(yīng)地增加了156.96%，而棕櫚酸和亞油酸含量分別為19.15%和36.68%，與對照相比分別減少了21.28%和33.92%，提高了棉籽油的品質(zhì)。Xu等［53］利用RNA干擾下調(diào)GhPEPC1的表達(dá)，導(dǎo)致三酰甘油（TAG）生物合成相關(guān)基因的表達(dá)增加，最終促進了棉花的脂質(zhì)生物合成。

6 研究展望

將表型和基因型聯(lián)系起來，以確定調(diào)節(jié)重要性狀的遺傳結(jié)構(gòu)，對于植物育種和植物基因組學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要［60］。大多數(shù)農(nóng)業(yè)上重要的性狀都是高度定量的，導(dǎo)致識別目標(biāo)表型背后的遺傳差異更加困難［61］?，F(xiàn)代作物育種需要徹底了解自然基因型和表型變異的起源、適應(yīng)和發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)，以制定科學(xué)合理可行的育種計劃。近年來，GWAS已被廣泛應(yīng)用于解釋基因和性狀之間的關(guān)系，其在疾病遺傳機理上的研究和植物農(nóng)藝性狀分析上的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著進步，在很大程度上增強了人們對復(fù)雜疾病和植物分子遺傳機制的理解［62］?，F(xiàn)在，文獻中包含了許多GWAS的研究成果，揭示了潛在的遺傳學(xué)機制［63］。常規(guī)育種的效率太低、周期較長，而GWAS與多組學(xué)分析相結(jié)合能更深入地了解棉籽油復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)，有利于棉花遺傳育種的進一步發(fā)展。GWAS使人們能夠理解有關(guān)復(fù)雜性狀的多重遺傳模式，但是也存在一定的應(yīng)用局限性［1］。例如，缺失的基因型、遺傳異質(zhì)性、意外的LD、低等位基因頻率或復(fù)雜的遺傳結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)［24］。

了解棉籽性狀的復(fù)雜遺傳基礎(chǔ)是實現(xiàn)棉花性狀有效遺傳改良的必要條件。所鑒定的遺傳變異和估計的基因、基因-基因和基因-環(huán)境相互作用的遺傳成分效應(yīng)為棉花遺傳學(xué)家或育種家提供了關(guān)于性狀遺傳機制和分子育種設(shè)計策略的新知識。將高通量棉籽油表型分析與GWAS相結(jié)合，可以促進棉籽油基因組編碼信息的揭示。預(yù)計GWAS在鑒定對棉籽油改良有用的關(guān)鍵基因方面將越來越成功。此外，科研人員需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步開展高油棉花種質(zhì)資源收集與鑒定、棉籽油優(yōu)異等位變異挖掘與利用、棉籽油調(diào)控相關(guān)基因定位及功能解析，以期為未來培育優(yōu)質(zhì)高油棉花新品種提供重要理論基礎(chǔ)。

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