《Frontiers in Plant Science》：A genome-wide association study of arabinoxylan content in flour of triticale (×Triticosecale Wittmack)
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由于黑小麦（×TriticosecaleWittmack）在制作面包方面与小麦相比技术品质较差，其在食品市场的应用仍然有限。然而，由于其富含生物活性化合物，特别是膳食纤维（DF），研究人员对将黑小麦粉用于食品目的保持着持续的兴趣。黑小麦DF的主要成分是阿拉
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由于黑小麦（×TriticosecaleWittmack）在制作面包方面与小麦相比技术品质较差，其在食品市场的应用仍然有限。然而，由于其富含生物活性化合物，特别是膳食纤维（DF），研究人员对将黑小麦粉用于食品目的保持着持续的兴趣。黑小麦DF的主要成分是阿拉伯木聚糖（AX）。AX的摄入与多种健康益处相关，从益生元功能到调节餐后代谢。为改善黑小麦面粉质量而进行的遗传研究和育种目标鉴定仍然匮乏，特别是关于DF等生物活性化合物的研究。在本研究中，研究人员利用DArTseq技术对一个多样化的黑小麦种质资源进行了基因分型，并对其面粉中的总AX（TOT-AX）、水提取性AX（WE-AX）、水不提取性AX（WU-AX）含量以及WE-AX与TOT-AX的比例（WE/TOT-AX）进行了表型鉴定。共发现了七个显著的标记-性状关联（MTA）。位于6B染色体短臂上的两个MTA与面包小麦水提取性AX的一个已知数量性状位点（QTL）一致。位于4R染色体上的一个MTA，以及位于5R染色体上的两个MTA，与小麦-黑麦易位和附加系的研究结果一致。
1. 研究背景、问题与目的
黑小麦（×TriticosecaleWittmack）是通过人工杂交六倍体小麦（Triticum aestivum）或四倍体小麦（T. durum）与黑麦（Secale cereale）获得的双二倍体作物，旨在结合小麦的加工品质和黑麦的抗逆性。然而，由于其在制粉和面包制作方面的技术品质（如籽粒质地软、面筋含量低、降落数值低等）不及小麦，黑小麦在食品市场的应用仍然受限。尽管如此，黑小麦因其蛋白质生物价值更高、富含微量营养素和生物活性化合物，特别是膳食纤维（DF），而受到持续关注。在黑小麦中，DF的主要成分是阿拉伯木聚糖（AX），占总DF含量的约40%。AX的摄入具有益生元、调节血糖和抗氧化等多种健康益处。然而，与小麦相比，针对黑小麦中AX等生物活性化合物含量的遗传研究非常稀少，其含量范围在现有种质中仍不清楚，也缺乏提高AX含量的明确遗传靶点。因此，本研究旨在表征一个多样化黑小麦群体中面粉AX及其组分的含量范围，并通过全基因组关联研究（GWAS）揭示与AX含量相关的分子标记，为通过选择育种提高黑小麦AX含量提供实用工具。本论文发表在《Frontiers in Plant Science》。
2. 主要技术方法
本研究使用了由118份冬性黑小麦品种/品系（101个栽培品种，17个育种系）组成的群体，分别于2019-2020和2021-2022两个生长季在比利时进行田间试验。研究人员通过实验室制粉获得富集胚乳的面粉，并采用间苯三酚比色法测定了面粉中的总AX和WE-AX含量，进而计算出WU-AX含量和WE/TOT-AX比例。利用DArTseq技术对该群体进行基因分型，获得79,121个单核苷酸多态性标记。经过数据过滤（检出率≥0.85，次等位基因频率≥0.05，并根据自花授粉作物特性进一步过滤杂合子频率异常的标记）和缺失值插补后，最终得到17,891个高质量标记用于分析。为了将标记定位于黑小麦的基因组，研究人员构建了一个合成的ABR参考基因组（结合了小麦“Renan”的A、B亚基因组和黑麦“Lo7”的R亚基因组），并通过BLAST比对将标记序列定位到染色体上。使用贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套关键途径模型进行GWAS分析，以鉴定与AX性状显著相关的标记-性状关联。同时，还利用马尔可夫链蒙特卡洛非空间群体结构分析方法评估了群体的遗传结构。
3. 研究结果
3.1 田间试验与黑小麦胚乳表型鉴定
两个生长季的表型数据汇总显示，面粉中AX含量存在变异。TOT-AX含量与WE/TOT-AX呈负相关，与WE-AX和WU-AX含量呈正相关。基因型和环境均是WE-AX含量和WE/TOT-AX的显著预测因子，而只有基因型是TOT-AX和WU-AX含量的显著预测因子。TOT-AX和WU-AX的广义遗传力估计值较高（分别为0.82和0.79），而WE-AX和WE/TOT-AX的遗传力相对较低（分别为0.68和0.60）。
3.2 DArTseq基因分型与SNP面板准备
原始SNP面板经过严格过滤，剔除了不符合自花授粉物种预期的杂合子频率异常的标记，最终得到17,891个标记。通过比对到合成的ABR参考基因组，15,462个标记被定位到染色体上，显著提高了标记定位的完整性和准确性，特别是将原先定位到小麦D亚基因组或未定位的许多标记重新定位到了黑麦R亚基因组。
3.3 群体结构分析
群体结构分析揭示了该黑小麦集合的高度混合状态。根据最大混合比例，可将群体划分为四个层次。其中，第1层（4个罗马尼亚材料）和第4层（8个北美材料）遗传组成较为独特，而第2层和第3层构成了群体主体，大部分材料（68份）表现为混合基因型。
3.4 全基因组关联研究与候选基因鉴定
GWAS共鉴定出7个达到显著性水平的MTA，其中3个与TOT-AX相关，2个与WE-AX相关，1个与WU-AX相关，1个与WE/TOT-AX相关。这些MTA分布在4R、5R、6A、6B染色体以及未定位的R亚基因组支架上。其中，位于6B染色体短臂上的两个MTA（分别与WE-AX和WE/TOT-AX相关）物理位置接近，与已知的小麦WE-AX相关QTL区域一致。该区域的候选基因包括小麦过氧化物酶PER1和PER2的同源基因。位于4R和5R染色体长臂上的MTA与先前小麦-黑麦附加系研究中发现的增加AX含量的染色体区域相符。研究人员还在各MTA的连锁不平衡衰减范围内，鉴定出多个与细胞壁代谢相关的候选基因，包括尿苷二磷酸糖基转移酶、过氧化物酶、肉桂酰辅酶A还原酶、糖基水解酶等，这些基因可能参与AX的合成、修饰或降解。
4. 讨论与结论
讨论总结：
研究人员首先讨论了黑小麦与小麦面粉AX组分的差异，指出黑小麦胚乳AX的水不提取性比例可能更高。接着，强调了使用合成的ABR参考基因组能更准确地反映黑小麦的基因组构成，从而提高标记定位效率。针对DArTseq数据中观察到的异常高杂合性，研究提出应根据自花授粉物种的预期繁殖行为对标记进行过滤。群体结构的分析结果反映了黑小麦的育种历史和地理隔离。GWAS结果突出了黑麦基因组对黑小麦面粉AX含量的较大影响，特别是4R和5R染色体上的MTA。位于6B短臂的MTA与小麦中已知的AX相关QTL共定位，表明该位点在黑小麦中可能也起关键作用。候选基因分析表明，AX含量及其组分比例的变异可能与羟基肉桂酸代谢（如阿魏酸化）相关的酶（如过氧化物酶、肉桂酰辅酶A还原酶等）关系更为密切，而非直接的AX生物合成酶。最后，研究展望了AX靶向育种在黑小麦中的应用前景，指出针对不同用途（饲料或食品）可设定相反的育种目标。本研究发现的高遗传力以及鉴定出的MTA（特别是与小麦6BS QTL共定位的位点）为标记辅助选择提供了可能。其中，携带6BS QTL增效等位基因的品种“Fidelio”、“Stil”和“Cultivo”表现出较高的WE-AX含量和WE/TOT-AX比例，可作为育种的优良材料。
研究结论翻译：
本研究表明，与小麦相比，黑小麦面粉中的阿拉伯木聚糖水提取性部分比例较低，而水不提取性部分比例较高。研究人员开发并应用了一种基于合成的ABR（小麦-黑麦）参考基因组的流程，极大地完善了DArTseq标记在黑小麦基因组中的投影。针对观察到的异常杂合基因型，提出了一种基于预期的繁殖行为进行标记过滤的方法。群体结构分析反映了黑小麦的育种趋势。全基因组关联研究确定了七个与面粉阿拉伯木聚糖含量显著相关的标记-性状关联。位于6B染色体短臂的两个关联与一个已知的小麦数量性状位点一致，而位于4R和5R染色体上的三个关联与小麦-黑麦附加系的研究结果一致。位于6B染色体短臂的数量性状位点似乎是欧洲黑小麦材料中水提取性阿拉伯木聚糖含量的主要决定因素。候选基因分析表明，羟基肉桂酸代谢，特别是阿拉伯木聚糖的阿魏酸化，是决定阿拉伯木聚糖含量及其组分比例的主要驱动力。面粉中总阿拉伯木聚糖和水不提取性阿拉伯木聚糖含量表现出较高的遗传力，表明通过选择育种可以有效地改良这些性状。鉴定出的标记-性状关联，特别是位于6B染色体短臂的位点，为黑小麦阿拉伯木聚糖靶向育种提供了实用的工具。
