Hortic Res | 基于GWAS关联分析鉴定葡萄香气的关键分子标记簇

葡萄（Vitis vinifera L.）作为一种全球广泛栽培的水果，其独特的香气成分在吸引消费者、提升市场价值方面扮演着至关重要的角色。在众多香气成分中，单萜类化合物因其赋予葡萄及其制品，如葡萄酒和果汁，独特的花香而备受关注。然而，尽管单萜类化合物的重要性已被广泛认可，但其遗传调控机制仍有许多未知领域亟待探索。2025年9月，Horticulture Research在线发表了中国农业大学葡萄与葡萄酒研究中心潘秋红教授团队联合北京市农林科学院合作完成的题为“GWAS identifies a molecular marker cluster associated with monoterpenoids in grapes”的研究论文，通过全基因组关联分析（GWAS），为我们揭示了葡萄中单萜类化合物相关的分子标记簇及候选基因，为葡萄育种提供了新的遗传工具和理论基础。本文将详细解读这篇文献的核心内容，带您走进葡萄单萜类化合物遗传调控的奥秘世界。

 

 

一、背景

单萜类化合物是一类由10个碳原子组成的挥发性化合物，广泛存在于植物界中，尤其在葡萄中含量丰富。它们不仅赋予葡萄独特的花香，还对葡萄酒和果汁的风味产生重要影响。在芳香型葡萄品种如‘Muscat Ottonel’和‘Gewurztraminer’中，单萜类化合物更是构成其标志性风味的关键成分，尽管单萜类化合物对葡萄品质至关重要，但目前关于其遗传调控机制的了解仍然有限。

随着消费者对葡萄及其制品品质要求的不断提高，如何通过遗传育种手段提高葡萄中单萜类化合物的含量，成为葡萄育种领域的重要研究方向。然而，由于单萜类化合物的合成受多个基因和环境因素的共同影响，其遗传调控机制复杂，给育种工作带来了巨大挑战。因此，开发有效的分子标记辅助选择（MAS）工具，对于加速葡萄香气育种进程具有重要意义。

本研究旨在通过GWAS分析，鉴定与葡萄单萜类化合物相关的分子标记和候选基因，为葡萄香气育种提供遗传工具。通过揭示单萜类化合物的遗传调控机制，本研究不仅有助于我们更深入地理解葡萄香气的形成过程，还为未来的遗传改良提供了理论基础。

二、实验技术路线

三、结果与分析

1、F1杂交群体中单萜类化合物浓度的变化

在F1群体中，单萜类化合物的浓度表现出显著的变化。不同年份间的气候条件差异可能导致了一些化合物浓度的波动，但总体上，大多数化合物在F1群体中的浓度范围大于亲本之一。此外，游离态和糖苷态单萜类化合物的浓度分布模式高度相似，表明它们可能受到相似的遗传调控机制的影响。

图1.F1代群体中单萜类化合物性状的相关矩阵。2017年(A)和2018年(B)各性状总浓度（即游离态与糖苷态之和）的相关性，以及2017年(C)和2018年(D)糖苷态浓度的相关性。各矩阵下半部分显示斯皮尔曼相关系数，范围为-1至1。上半部分的‘*’符号表示显著相关性（P<0.05）。各行对应化合物的序列与列相同，但省略了首种物质。

2、GWAS分析结果总结

研究利用全基因组关联分析（GWAS）技术，在由典型麝香葡萄品种“亚历山大麝香”与非芳香葡萄品种“圣诞玫瑰”杂交得到的F1群体中，系统地探索了与单萜类化合物合成相关的遗传基础。经过连续两年的深入研究，共鉴定出4089个显著单核苷酸多态性位点（sigSNPs）及892个候选基因，这些发现为理解葡萄芳香物质的遗传调控机制提供了重要线索。值得注意的是，超过99%的sigSNPs集中在5号染色体上，形成了一个显著的分子标记簇，表明该区域在单萜类化合物合成中扮演核心角色。这一发现不仅增强了我们对葡萄芳香物质遗传架构的认识，也为后续的分子育种工作奠定了坚实的基础。

图2.单萜类化合物性状的GWAS分析结果示例。2017年(A)和2018年(B)以总体形式呈现的“总单萜类化合物”性状曼哈顿图。支架指染色体0，即V2.1PN40024葡萄参考基因组中未锚定到任何染色体的SNP位点。2017年(C)和2018年(D)以糖苷形式呈现的“总单萜类化合物”性状曼哈顿图。气泡矩阵展示了2017年随机选取的24个显著SNP与性状间的关联性。(E)每个圆点代表SNP与性状间的显著关联，无圆点则表示无关联。维恩图展示了2017年糖苷形式与总形式中链状单萜类化合物、环状单萜类化合物及氧化单萜类化合物性状显著SNP数量的重叠情况(F)。条形图显示了与上述性状相关的sigSNP位点数量。

3、5号染色体上标记簇的验证与特性分析

为了确保5号染色体上SNP簇与单萜类化合物性状的真正关联，研究采用了主成分分析（PCA）和连锁不平衡（LD）分析等方法。PCA结果显示，F1群体在5号染色体上的基因型分布呈现随机性，排除了群体分层对结果的干扰。LD分析则进一步揭示了5号染色体上的LD衰减模式与全基因组水平相似，且候选区间内存在多个独立的LD块，支持了多个独立遗传变异共同调控单萜类化合物合成的假设。这些分析共同验证了5号染色体上标记簇的可靠性，并强调了其在葡萄芳香物质遗传调控中的重要性。

图3.5号染色体基因型数据分析。(A) 5号染色体基因型数据的主成分分析图，图中点代表杂交群体中的F1代个体。2017年总单萜类化合物的糖苷含量被用作表型指标。(B) 5号染色体、全基因组及另外四个随机选取染色体的连锁不平衡衰减图。(C) 5号染色体候选区间中100kb范围内连锁不平衡热图。

4、候选基因的KEGG富集与关键基因发现

通过KEGG富集分析，研究深入探讨了候选基因的生物功能途径。结果显示，这些基因主要参与萜类骨架生物合成、激素信号转导、ABC转运蛋白等多个关键生物过程。其中，VvDXS1和VvGGPPS-LSU两个基因在萜类生物合成途径中的核心地位而受到特别关注。VvDXS1基因先前已被证实与单萜类化合物含量的增加密切相关，而本研究则通过GWAS分析进一步确认了其在葡萄芳香物质遗传调控中的重要作用。更为引人注目的是，研究首次揭示了VvGGPPS-LSU基因在调控单萜类化合物合成中的新角色，为理解葡萄芳香物质的合成机制提供了新的视角。

图4. 5号染色体上与单萜类化合物性状相关的标记SNP及基因簇分布。(A) 5号染色体上SNP标记的位置分布，其中与VvDXS1和VvGGPPS-LSU相关的SNP特别标注。(B)候选标记基因中富集度最高的20条KEGG通路。(C) 候选标记基因（以菱形标记）与单萜类化合物性状的相关网络（绿色三角形表示总形式，蓝色三角形表示糖苷形式）。VvDXS1和VvGGPPS-LSU在循环中被高亮显示。线条粗细代表GWAS分析的P值，线条越粗表示P值越小。

5、候选SNP标记的验证与可靠性评估

研究团队为了评估候选SNP标记的可靠性，在包含97个葡萄品种的种质群体中进行了KASP验证。结果显示，25个lead SNP的等位基因与单萜类化合物水平高度相关，验证了这些标记在葡萄芳香物质遗传调控中的有效性。特别是VvGGPPS-LSU基因上的SNP位点chr5_2987350，其不同等位基因在种质群体中展现出显著的单萜类化合物浓度差异，进一步强调了该基因在调控葡萄芳香物质合成中的关键作用。这些验证结果为后续的分子标记辅助选择（MAS）育种工作提供了可靠的遗传标记。

图5.种群中不同基因型在主要SNP位点的浓度分布小提琴图。位于VvGGPPS-LSU的chr5_2987350和位于VvDXS1的chr5_3854251用方框标出。以葡萄浆果中单萜类化合物（μg/l）的总浓度作为表型指标。

星号表示Kruskal检验显著性：*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001；****PP<0.0001。

6、VvGGPPS-LSU基因的功能验证与双重角色揭示

为了深入探究VvGGPPS-LSU基因在单萜类化合物合成中的具体作用，研究团队通过基因过表达技术进行了功能验证。结果显示，在番茄果实、葡萄皮和葡萄愈伤组织中过表达VvGGPPS-LSU基因能够显著提高单萜和降异戊二烯的含量。这一发现不仅证实了VvGGPPS-LSU基因在调控单萜类化合物合成中的核心作用，还揭示了其在降异戊二烯生物合成中的潜在功能。因此，VvGGPPS-LSU基因被证实具有双重功能，既能够调控单萜类化合物的合成，又能够影响降异戊二烯的生物合成路径。这一发现为通过遗传工程手段改良葡萄芳香品质提供了新的靶点，也为理解植物次生代谢产物的合成机制提供了新的线索。

图6.VvGGPPS-LSU过表达对番茄果实、葡萄皮及葡萄愈伤组织中单萜类化合物和异戊二烯类化合物浓度的影响。(A)瞬时过表达Micro-Tom番茄果实的代表性图像及RT-PCR分析结果。(B)空载体对照组（CK）与瞬时过表达番茄果实中单萜类化合物的总浓度。(C)异戊二烯类化合物在对照组中的总浓度。oeggpps-M和oeggpps-B分别代表‘曼森小白’和‘白麝香455’品种的VvGGPPS-LSU基因。(D)用于瞬时过表达的‘夏日黑’葡萄果实图像。分析仅针对果皮进行。(E)对照组（CK）、oeggpps-M和oeggpps-B中VvGGPPS-LSU的相对表达水平，以及葡萄皮中单萜类化合物总浓度的对比。(F)葡萄皮中异戊二烯类化合物总浓度的对比。(G)野生型VvGGPPS-LSU的相对表达水平。

四、讨论与展望

1、GWAS在葡萄单萜类化合物研究中的应用与优势

该研究采用全基因组关联分析（GWAS）技术，在葡萄中系统探索了与单萜类化合物合成相关的遗传基础。相比传统的QTL定位方法，GWAS提供了更高的分辨率，能够精确到基因水平，从而更有效地识别与复杂数量性状紧密关联的遗传标记和候选基因。这一优势在葡萄单萜类化合物的研究中得到了充分体现，通过GWAS分析，我们成功鉴定出5号染色体上一个显著的分子标记簇，以及数百个候选基因，为深入理解葡萄芳香物质的遗传调控机制奠定了坚实基础。此外，F1杂交群体的使用进一步增强了GWAS分析的统计效力，减少了假关联的风险，提高了结果的可靠性。

2、基因簇在葡萄风味调控中的普遍性与重要性

本研究发现，与单萜类化合物合成相关的候选基因在5号染色体上形成了一个显著的基因簇。类似的现象在植物界中并不罕见，多个物种中都存在调控特定次生代谢产物合成的基因簇。这些基因簇通常包含参与特定代谢途径的多个基因，通过协同表达实现代谢产物的有效合成。在葡萄中，5号染色体上的基因簇不仅包含了VvDXS1和VvGGPPS-LSU等关键基因，还涉及多个转运蛋白和转录因子，共同调控单萜类化合物的合成与转运。这种基因簇的组织形式有助于植物快速响应环境变化，合成防御性次生代谢产物，同时也为分子育种提供了便利的遗传操作靶点。

3、VvGGPPS-LSU基因的双重功能与潜在应用

本研究首次揭示了VvGGPPS-LSU基因在调控单萜类化合物和降异戊二烯合成中的双重功能。作为萜类生物合成途径中的关键酶，VvGGPPS-LSU不仅能够催化生成单萜类化合物的前体GPP，还能参与GGPP的合成，进而影响降异戊二烯的生物合成。这一发现不仅丰富了我们对萜类生物合成途径的理解，也为通过遗传工程手段改良葡萄芳香品质提供了新的思路。通过过表达VvGGPPS-LSU基因，可以显著提高葡萄及其制品中的单萜和降异戊二烯含量，从而增强其芳香特性和市场价值。此外，VvGGPPS-LSU基因的双重功能还暗示了其在植物抗逆性提升中的潜在应用，为开发具有多重优良性状的葡萄品种提供了可能。

4、多组学整合分析在植物遗传研究中的前景

尽管本研究在葡萄单萜类化合物遗传调控方面取得了重要进展，但植物次生代谢产物的合成机制仍有许多未知领域有待探索。未来的研究应进一步整合基因组学、转录组学、代谢组学和人工智能等多组学数据，构建更加全面的遗传调控网络。通过多组学整合分析，我们可以更精确地识别关键基因和调控元件，揭示基因型与表型之间的复杂关系，为分子育种提供更加科学和高效的策略。例如，结合深度学习算法，可以对GWAS结果进行更深入的分析和挖掘，发现潜在的遗传变异和基因互作网络，从而加速优良品种的选育进程。多组学整合分析将成为未来植物遗传研究的重要方向，为我们深入理解植物生命奥秘和改良作物品种提供有力支持。

五、结论

该研究以典型的玫瑰香型品种“亚历山大麝香”与非芳香品种“圣诞玫瑰”杂交产生的F1群体为材料，连续两年进行单萜含量全基因组关联分析（GWAS）。共鉴定出与单萜含量相关的显著SNP位点4089个、候选基因892个。结果表明，无论是糖苷结合态含量还是总含量（糖苷结合态与游离态总和），不同单萜组分的关联信号均高度重叠，且大多数显著SNP富集在5号染色体约8 Mb的连续区间内，提示该区域存在一个单萜含量标记簇。利用独立种质群体验证后，发现该区间内25个lead SNP的基因型与单萜含量显著相关，可作为可靠的单萜含量分子标记集。进一步实验证实，新鉴定的候选基因香叶基香叶基焦磷酸合酶大亚基（VvGGPPS-LSU）兼具调控单萜和降异戊二烯香气合成的双重功能。