植物1区TOP——GWAS eQTL如何精准定位调控棉花衣分的候选基因
衣分（即皮棉所占籽棉的百分率）是棉花产量性状的重要组成指标，也是棉花生产的重要经济指标。纤维发育初期是影响衣分性状的关键发育时期，但纤维发育初期的遗传调控还有待解决。近期，发表在The Plant Journal上的文章“GWAS and eQTL analyses reveal genetic components influencing the key fiber yield trait lint percentage in upland cotton”对312份陆地棉材料进行重测序和转录组测序，利用全基因组关联分析GWAS以及eQTL等，鉴定出11个与衣分显著相关的候选基因。
期刊：The Plant Journal
影响因子：5.7
样本材料：312份陆地棉种质材料
分析内容：全基因组重测序、真核转录组、GWAS、eQTL、TWAS共定位分析
主要结果
1、基于GWAS对衣分的候选基因鉴定
本研究构建了一个包含312个棉花种质的群体，并测定了每个个体的衣分。表型变异分析表明，种群的衣分在四种环境中表现出连续变化，广义遗传力（H2）为86.46%。全基因组重测序群体遗传分析中，strcture分析将312个个体分为了4个遗传种群，但主成分分析和系统发育树分析表明，这些样本具有密切的遗传关系和狭窄的遗传背景，无法完全独立地区分每个种群。GWAS关联分析共检测到11个与衣分相关的显著位点，分别位于染色体A09、A10、A11、A12、D01、D05和D06上，并确定了1191个候选基因。
图 利用全基因组关联研究（GWAS）对衣分性状进行性状位点鉴定
2、通过转录组测序鉴定eQTL
本研究对每个品系中处于纤维形成初期阶段（开花前1天，即-1 DPA）的胚珠进行了RNA测序。eQTL定位采用与衣分全基因组关联分析（GWAS）相同的基因组SNP数据集，最终鉴定出13,859个与10,105个基因表达相关的eQTL（即受eQTL调控的基因）。其中，8512个是顺式eQTL，5347个是反式eQTL。
图 利用纤维初期阶段的RNA-Seq数据鉴定表达数量性状位点（eQTLs）
3、全转录组关联研究优先考虑与衣分相关的基因
为了破译衣分性状的遗传学，本研究使用了两种互补的方法，包括TWAS和共定位分析，对GWAS和eQTL数据进行了整合。在染色体A12上，使用TWAS和共定位分析鉴定出一个候选基因Ghir_A12G025980（热休克蛋白22，HSP22)，该基因对衣分的性能具有负调控作用。
利用eQTL位点来探索由多个eQTL调控的eGenes。在纤维初期阶段，发现七个代表性的大型热点调控着数量可变的基因，从36个（Hot192）到191个（Hot28）。Hot26是一个极其重要的调控热点，调控着186个基因的表达，这些基因参与了纤维形成和发育的重要途径。
图 基于转录组全关联研究（TWAS）和候选基因定位
4、与衣分相关的差异表达基因
研究对群体中具有极端表型的样本进行了差异基因表达分析，鉴定出269个与产量性状相关的差异表达基因，其中高产率样本中有212个基因表达上调，而低产率样本中有57个基因表达下调。被选中的个体衣分越高，其基因表达水平就越高。在衣分较低的植株中，下调基因呈现优先表达特征，但并非所有基因都在纤维形成初期阶段表现出优先表达。通过共定位分析，还发现一个与衣分含量相关的基因与下调基因存在重叠。
图 基因的差异表达和驯化选择信号
5、驯化选择对衣分的影响这是一个底色折角标题
为了确定棉花驯化和改良过程中位点的潜在选择信号，通过比较312份栽培棉花和半野生棉花，筛选出核苷酸多样性显著降低的基因组区域，共检测到了842个假定的选择清除信号。为确定棉花驯化的遗传基础，通过将选择性清除与已知数量性状基因座（QTL）的分布位置进行比对，发现有五个QTL与选择性清除存在重叠，并进一步分析了这五个QTL的核苷酸多样性。结果表明，半野生棉株的基因座多样性高于栽培棉株，因此在驯化选择区间鉴定出的基因座都经历了不同程度的驯化选择。
6、有利等位基因聚集对衣分的影响
本研究使用312个样本的衣分相关位点，构建了一个有利等位基因库，有利等位基因的数量越多，该品种的衣分就越高。共鉴定出56个有利等位基因，其中最多有29个有利等位基因聚集在一个品系中。研究进一步预测了聚合了亲本有利等位基因的后代的表型，聚合等位基因越多，衣分越高，这有助于选择培育高衣分的品种。
图 312个种质中有利等位基因的聚集
综上，本研究整合GWAS、eQTL以及TWAS鉴定与衣分显著相关的遗传位点和基因，并创新性地提出了高衣分育种的系统方案：首先优选携带多个有利位点且具有高衣分表型的亲本材料；其次选择遗传背景丰富且性状稳定的亲本组合；最后根据生态适应性选择适宜种植区域。这些结果为挖掘和揭示基因参与调控棉花衣分的分子机制提供了新思路，同时给一些关注育种研究开发的人员提供参考思路。
参考文献
GWAS and eQTL analyses reveal genetic components influencing the key fiber yield trait lint percentage in upland cotton. The Plant Journal, 2025.