鉴定中国冬小麦籽粒九矿物元素相关的新型基因组区域

背景

除重金属外，矿质元素对维持人体健康也很重要。挖掘控制矿质元素的基因对于提高矿质元素在小麦籽粒中的积累至关重要。虽然已有一些有益微量元素的研究报道，但主要集中在锌和铁的含量上。然而，在剖析小麦籽粒中多种矿质元素（包括有益元素和重元素）的同步积累过程中，有关基因座差异的信息很少。为此，对205份具有24355个单核苷酸多态性（SNPs）的小麦种质进行了全基因组关联研究（GWAS），以确定控制小麦籽粒Ca、Fe、Zn、Se、Cu、Mn、Cd、As和Pb积累的重要基因座和候选基因。

结果

共有101个标记特征协会（MTA）（P< 10^-5)在1B、1D、2A、2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5B、5D、6B、7A、7B和7D染色体上发现了影响9种矿质元素含量的基因座。其中9种矿质元素共定位17个MTAs位点，4个MTAs位点(P< 10^-5）在染色体1b，6b，7b和7d上发现。检测到八种多效MTAS基因座，其负责控制多于一个特征，主要分布在染色体3b，7b和5a上。此外，预测了控制Ca，Fe，Zn，Se，Cd和Pb的16个候选基因，其功能主要与离子结合有关，包括金属，Fe，Ca，Cu，Mg和Zn，ATP结合，ATP酶活性，DNA结合，RNA结合和蛋白激酶活性。

结论

我们的研究表明，基于多效MTA基因座和候选基因的矿物元素之间存在基因相互作用。同时本研究提供了新的洞察力对矿物质元素浓度的遗传控制，并且鉴定的重要基因座和基因可能有助于快速发展的小麦籽粒中有害重金属的减少含量。

小麦是全球最重要的农作物之一，作为主食，它提供了全球约20%的热量和40%的蛋白质。随着人们生活水平的提高，小麦籽粒的营养品质变得越来越重要。小麦籽粒中含有多种矿质元素，是人体微量元素的重要来源。虽然小麦籽粒中含有铁、锌、硒等重要的矿质元素，但其含量相对较低，生物有效性较差，给世界发展中国家造成矿质元素营养缺乏的潜在威胁[1.］．

在经济不发达国家，超过三分之一的妇女和儿童得不到维持健康状况所需的关键微量元素，如铁、锌和碘（I）。具体来说，中国超过三分之二的人口患有硒缺乏症[2.］．因此，有效提高小麦籽粒中有益矿物质元素的含量已成为植物育种中最优先考虑的问题。

小麦中除了一些有益的矿质元素外，还含有一些因环境污染而产生的重金属，如镉、铅、砷等，过量摄入会对人体健康造成损害，包括前列腺癌、肺癌、睾丸癌，以及肾小管损伤[3.,4.]. 因此，近年来，食品中重金属含量成为全社会关注的焦点。对铬、钴、铜、铁、镁、锰、硒、锌等几种膳食微量元素的必要性和毒性进行了深入研究[5.,6.,7.,8.,9,10.］．

微量营养素缺乏(特别是锌和铁)是营养不良对世界人口很大一部分造成影响的原因。在发展中国家，大多数人以谷物为主食，由于微量营养素缺乏在儿童中检测到营养不良，这种现象被称为“隐性饥饿”[1.,11.,12.］．为了解决缺乏有益的矿物素因食物中缺乏有益矿物质而引起的营养不良，小麦籽粒的生物化已成为食品工业的常规，特别是对于Zn，Fe和Se。自2003年以来，来自各种国际农业研究机构的科学家已经开始实施收获加项目，通过培养矿物丰富的粮食作物来解决这个问题。通常，有两种方法用于改善小麦籽粒的微量营养素含量，这涉及农艺法和遗传改善。但是，农艺实践既不经济也不是环保的[13.］．

此外，对小麦籽粒中锌、铁、硒等微量元素进行遗传改良是一种重要而有效的途径。在以往的研究中，利用QTL定位和全基因组关联研究(GWAS)方法发现了锌、铁和硒等微量元素的重要基因/位点。因此，使用三组不同的重组自交系[14.,15.]和QTL映射，染色体7B上的Zn含量的两个主要QTL（QGZN.Cimmyt-7b_1p2和qgzn.cimmyt-7b_1p1）和用于染色体4a（qgfe.cimmyt-4a_p2）的Fe含量的一个主要QT1，并培养qtls也发现在3B染色体上。另外，通过META-QTL（MQTL）方法，在染色体2D，5A，5B，6A和7A上发现了用于ZN和Fe含量的一些重要MQTLS [13.]. 而对21条染色体上含硒量的qtl的研究仅报道了3个[16.,17.,18.］．

使用关联面板，包括普通小麦(小麦L.），合成六倍体小麦，收获Plus协会面板，欧洲小麦品种和春小麦，鉴定了Zn含量的442个标记性关联（MTA）和287垫的Fe含量[19.,20.,21.,22.,23.,24.,25.,26.,27.]. 其中，在染色体5A和3B上发现了两个锌含量极显著的MATs，3BS上的6个候选基因被预测属于丝裂原活化蛋白激酶家族，参与蛋白激酶活性、蛋白磷酸化和蛋白转运[13.]. 这与锌的吸收和转运有关。在5AL染色体上，bZip家族和FAR1蛋白中发现了4个与锌生物强化相关的候选基因[13.］．此外，这是GPC-B1从野生小麦中克隆的基因已被证明能提高小麦籽粒中的蛋白质、锌和铁含量[28.］．

虽然已有一些有益微量元素的研究报道，但主要集中在锌和铁的含量上。然而，在剖析小麦籽粒中多种矿质元素（包括有益元素和重元素）的同步积累过程中，有关基因座差异的信息很少。因此，本研究利用GWAS技术，利用90k Illumina-iSelect基因型的24355个单核苷酸多态性（SNPs）分析了不同冬小麦品种群体中6种有益元素和3种有害重元素的积累。本研究的目的是通过分子育种，寻找与这些性状相关的SNPs标记和候选基因，提高小麦籽粒中微量元素含量，减少重金属的威胁。研究结果将为通过分子标记辅助选择在不增加有害矿质元素的前提下提高粮食微量元素含量提供理论依据。

植物材料

GWAS的205个基因型关联图谱由77个已发布品种、55个地方品种(包括2个来自墨西哥和法国的品种)和73个来自中国10个主要冬小麦产区的育种品种组成[29.]. 每种材料约有30粒种子最初是从国家种质库、山东种质库、各省农业科学院和小麦育种家那里获得的。然后，由中国山东省山东农业大学小麦品质育种研究小组在我们的研究领域多次繁殖。有关细节见先前发表的论文[29.］．

生长条件

这seeds used for the association mapping panel were planted in the 2014, 2015, 2016, and 2017 growing seasons in experimental fields at two locations: Shandong Agricultural University, Tai’an (TA, 36°57 N 116°36E) and the Dezhou Institute of Agricultural Sciences, Dezhou (DZ, 37°45 N 116°29E). E1, E2, E3, and E4 represented the Dezhou location in 2014 (2014 DZ), Tai’an location in 2015 (2015 TA), Tai’an location in 2016 (2016 TA), and Tai’an location in 2017 (2017 TA), respectively. All experiments were laid in a completely randomised block design with two replicates in each environment. All lines were grown in 1.3 m plots with three rows spaced 25 cm apart, and 40 seeds evenly broadcast in each row. All recommended local crop management practices were followed during all the growing seasons, and no damage attributed to lodging, disease, or pests was observed.

不同地点的土壤条件如表所示S1.两个地点之间的不同矿物元素没有显着差异。这表明两个位置的土壤条件似乎是相同的。

表型性状评价

整面粉铣削

用蒸馏水清洗谷物样品三次，以去除任何附着的颗粒，然后在80℃下烘干。干燥的谷物样品（50g）使用全面粉实验磨坊（Perten 3100型磨坊，Perten公司，斯德哥尔摩，瑞典）研磨。

全面粉中金属元素含量的测定

将全面粉（0.2 g）样品引入消化管中，用6 mL硝酸（HNO）进行消化_3.)放在微波蒸煮器中。用去离子水稀释至定容50 mL后，经0.45 μm水基微孔膜过滤。采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-MS、Thermo Fisher、iCAP Qc)测定不同金属元素Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Se、As、Cd、Pb的浓度。不同金属元素的标准曲线如图所示。S1，以及相关线性估计器[2.］．在0.9977和0.9999之间。所有元素的恢复率范围为80％至120％。

统计分析

使用SAS 8.0（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）和统计软件SPSS版本17.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，Spss Inc.，Chicago，IL，）进行了对表型性状的差异性状性状的相关性和表型性状的相关性美国）分别。

全基因组关联分析

SNP标记，基因分型和样品的人口结构已先前已报道[30.]. 基于这些信息，在TASSEL3.0中使用混合线性模型（MLM）识别出显著的mta。用P值判断QTL是否与标记相关。这个R[2.]使用值来评估MTA效果的大小。基因组的意义阈值（p≤10^-4)已经决定了。P值的单核苷酸多态性 ≤ 10^-4被认为与表型特征有显着相关。当在两个或多个环境中检测到MTA基因座时，它被认为是一个站点稳定的关联[29.］．

与矿物元素相关的重要MTA基因座的候选基因预测

为了确定重要的MTA基因座和可能的候选基因在物理图上的位置，本研究中检测到的重要标记用于鉴定推定的候选基因。使用国际小麦基因组测序联盟数据库进行爆炸（基本的本地对准搜索工具）搜索（IWGSC;http://www.wheatgenome.org/20.^TH.2021年1月）与GWAS鉴定的重要SNP标记序列。当一个来自IWGSC的SNP标记序列与任何一个小麦contig完全相同时，使用IWGSC BLAST结果将每个标记的序列延长了2MB。扩展序列被用于在国家生物技术信息中心（NCBI）数据库中进行BLAST搜索(http://www.ncbi.nlm.nih.gov20.^TH.2021年1月）和Ensembl工厂(http://plants.ensembl.org/Triticum_aestivum/Tools/Blast20.^TH.2021年1月），以确认可能的候选基因和功能。

9种矿质元素的表型变异及相关分析

在四个环境中的205个冬小麦加入中，观察到Ca，Mn，Fe，Cu，Cu，Zn，Se，As，Cd和Pb的广泛表型变化（即3年和两个地点，表1.)．9种矿物元素在种群中呈连续分布，表现出典型的数量性状，表明它们受多基因遗传控制。

ANOVA对Ca，Mn，Fe，Cu，Zn，Se和Cd的含量显示出显着差异（P < 0.0001），以及G × E相互作用（表S2），表明矿物质元素含量受基因型，环境和互动的显着影响。此外，相关分析表明，在Ca，Mn，Fe，Cu和Zn之间观察到显着的正相关，但不是SE（表2.)．

有益矿物元素的标记-性状关联（MTA）

共64个MTA(P< 10^-4）对于小麦颗粒中的Ca含量被检测，主要分布在四个实验环境中的染色体1a，2a，2b，3a，3b，5a，5b，5d，6b，7a和7b（表S3)．在染色体1a，2b，3b，5a和6b上发现了一些MTA簇。确定了四个MTA（P< 10^-5)在3B和5A染色体(表3.还有无花果。S2）和染色体5a上的Kukri_C41797_393轨迹导致了10.97％的表型变异，如RFL_Contig2187_1025基因座。

小麦籽粒锰含量共有66个MTAs位点(P< 10^-4)在三种环境中的染色体1B、2A、2B、3A、4A、4B、5A、5B和7B上鉴定出（表1）S3). 在1B、5A和7B染色体上发现三个MTAs簇。其中14个MTAs基因座位于1B染色体75cm处P< 10^-5e2中的水平（表3.)．

反过来，77个MTA基因座（P< 10^-4在四个实验环境中鉴定为在13条染色体上的Fe含量（1A，1D，3A，4A，4B，4D，5A，5B，6B，7A，7B和7D）相关联（表S3). 在染色体5A、6B、7B和7D上检测到MTAs簇。其中，20个MTAs基因座被发现P< 10^-5E2，E3和E4的水平，解释表型变异的8.07％至16.23％（表3.). 10个MTAs基因座集中在7D染色体26cm～27cm的遗传位置。5个MTAs基因座解释了6B和7B染色体10%以上的表型变异。Excalibur_c19455_3496位点解释了7B染色体上观察到的最大表型变异（16.23%）。

对于Cu，96个MTAs位点(P< 10^-4在四个实验环境中，在15染色体上检测到小麦籽粒中的Cu含量（表S3)．在染色体1a，1b和5a上发现了一些mtas簇。但是，at.P< 10^-5在染色体4b上只有一个基因座Excalibur\uc29255\u366（表1）3.)．

对于小麦籽粒中的Zn含量，有95个基因座（P< 10^-4)，除4个实验环境下的2A、2D、6A和6D染色体外，其余17条染色体上均有鉴定(表S3). MTAs主要分布在2B、3D、5B、6B和7B；共发现16个MTAs基因座P< 10^-5e1，e3和e4中的水平（表3.). 这三个解释了染色体3B和4B上超过10%的表型变异。BS00057451_51位点表现出最大的表型变异（13.25%）。

对于Se，57个MTAs基因座(P< 10^-4）在染色体1a，2b，3a，3d，4a，4b，5a，6b，7a，7b和7d上鉴定在小麦籽粒中的Se含量在四个实验环境中（表S4)．在5A、6b和7b染色体上发现了一些mta簇，在6个染色体上检测到6个MATs位点P< 10^-5水平（表4.），但在染色体3D上检测到只有一个具有10.06％的表型变异的主要垫。

重金属元素的mta

小麦籽粒中As含量有67个MTAs位点(P< 10^-4在四个实验环境中，在14条染色体（1a，1b，2a，2b，3b，3d，4a，5a，5b，6a，6b，7a，7b和7d）上鉴定出来（表S4)．在染色体1 1B、2B、6B、7A和7B上发现了一些MATs簇。然而,在P< 10^-5水平，未发现基因座。

依次是159个mta位点(P< 10^-4)与19条染色体上小麦籽粒中镉含量有关，但在四种实验环境中，染色体2D和7D除外（表1）S4)．染色体1b，1d，2b，3b和5b上存在MTAS簇;此外，在的情况下发现了22个基因座P< 10^-5在E2, E3和E4级别(表4.)．六个基因座在染色体1b，1d，4a，4b和5a上解释了超过10％的表型变异。

最后，99个mta (P< 10^-4在四种染色体（1a，1b，1d，2a，2b，3a，3b，4a，4b，5a，5b，6a，6b，7a，7b和7d中，发现与Pb含量相关联）（在四个实验环境中）（表S4). MTAs簇主要分布在1B、3B、5B、6B和7B染色体上。其中，18个基因座在同一时刻被鉴定P< 10^-5水平，涉及染色体1B、2B、3A、5A、6B、7A和7B（表4.)．五个基因座在E4中解释了染色体5a和7b上的表型变异的10％以上。染色体7b上的Excalibur_c25090_830的最大贡献率为13.43％，其p值低至8.11×10^-7.

泰安地区的mta基因位点稳定超过3年

共有66个稳定的MTAS基因座（P< 10^-4)在两种或两种以上的测试环境中发现了Ca、Mn、Cu、Zn、Se、Cd和Pb含量（表5.)．其中，在染色体5a上检测到Ca含量的五个基因孔，两个主要垫子解释了超过10％的表型变异。在染色体7a和7b上鉴定为Mn含量的18个稳定的MTA。大多数集中在7b染色体7b上的遗传位置75厘米。在染色体1a和3b上发现稳定的基因座，染色体3b上的Bs00057451_51轨迹解释了表型变异的13.25％。检测染色体4b和7a上的两个稳定基因座，用于Se含量。鉴定稳定MTA基因座的残余物用于Cd和Pb含量。针对PB含量确定了五个主要基因座。

矿物元素的多效MTAs位点

共有8个控制多个性状的多效MTAs基因座，主要分布在染色体3B、7B和5A上（表1）6.)．有两个基因座，BS00057451_51和Excalibur_c41752_392，与染色体3b上的Ca和Zn含量相关联。这两个基因座有助于Zn含量变异的13.25％。一个基因座，Excalibur_c11062_582，同时控制Fe和Cd含量在7b上，但该基因座的Fe含量的贡献显示出超过10％。两个LOCI，RAC875_REP_C110526_229和EXCARIBUR_C25090_830同时与染色体7B上的FE，CD和PB含量相关联。这两个基因座在Fe和Pb内容中解释了超过10％的变化。将三个基因座浓缩在染色体7B的遗传位置171cm上。有一个基因座，Excalibur_C19455_3496，同时控制Fe和Pb含量，占染色体7B表型变异的10％以上。在染色体5A上同时鉴定两个基因座，同时鉴定CD和Pb含量，占比表型变异的10％以上。

稳定MTA的鉴定及其等位基因分析

通过筛选结果(表S3和S4)共有13个单核苷酸多态性标记被鉴定为与钙、锰、锌、硒和铅含量相关的稳定mta（表1）7.还有无花果。1.)．Ca的表型值的内容与Kukri_c41797_393 - TT 5号染色体上显著高于与Kukri_c41797_393 - CC在所有四个环境有关,这表明Kukri_c41797_393-TT轨迹Ca内容的贡献比Kukri_c41797_393 - CC的轨迹,RFL_Contig2187_1025位点对Ca含量的贡献也显著。

对于锰含量，在染色体1B上检测到5个SNP标记物（表1）7.). 在BS00022619和BS00022920标记中，AA等位基因对锰含量的贡献显著高于GG等位基因，而在Excalibur标记中，GG等位基因对锰含量的提高作用优于AA等位基因。IAAV2125和IAAV6731的CC等位基因对锰含量的贡献率高于AA等位基因。

在3B染色体上只发现了一个稳定的锌含量标记BS0005745151，GG等位基因的贡献率显著高于AA等位基因（表1）7.还有无花果。1.)．

对于SE内容，分别在染色体4B和7A上发现两个标记，TDURUM_Contig4974_355和WSNP_EX_C14654_22713386（表7.还有无花果。1.)．TDURUM_Contig4974_355-TT等位基因的贡献显着优于TDURUM_Contig4974_355-CC的SE含量，但对于WSNP_EX_C14654_22713386标记，CC等位基因优于TT等位基因。

在染色体7B上鉴定了三个稳定的SNP标记，用于重金属铅含量（表1）7.还有无花果。1.)．等位基因GG，CC和CC的贡献显示出优于Excalibur_C19455_3496，Excalibur_C25090_830和Excalibur_C11062_582的等位基因AA，TT和AA的贡献分别降低了PB含量。最有趣的是，这三种SNP标记也与Fe含量有关。

因此，我们对这些不同稳定SNP标记的等位基因进行了金字塔分析，在小麦材料中发现了7份有益矿物元素含量高、重金属元素含量低的材料(表1)8.)．其中，B111、B117、B148、B46和B67等5个品种均含有1种以上的有益矿物质元素，且含量高，不含Pb。这些结果为小麦育种提供了良好的小麦资源和有益矿物元素的优良等位基因。

用于矿物质重要基因率的候选基因的预测

共预测了17个矿质元素重要位点的16个新候选基因（表1）S5)．在3B染色体上，两个候选基因，纸盘S3B02G307600.1和traests3b02g307400，分别发现BS00057451_51和Excalibur_C41752_392，其涉及Zn和Ca含量。它们的功能主要涉及金属离子结合，钙离子结合，ATP结合，ATP酶活性，DNA结合，RNA结合和蛋白激酶活性。

在染色体3D上有一个预测硒含量的候选基因，纸盘S3D02G201900，其功能是小麦中依赖修饰的蛋白结合。此外，在拟南芥和水稻中分别发现了该基因的金属离子结合和钙离子结合。

三个候选基因，TRAESCS5A02G256700.1.,TraesCS5A01G256800.1,TraesCS5A02G257000.1，在5A染色体上检测Ca含量。的基因TRAESCS5A02G256700.1.对于Kukri_C41797_393具有核糖体小亚基生物发生和从小麦中的核，但金属离子结合，Ca离子结合和Ca跨膜活性的拟南芥。这TraesCS5A02G257000.1基因在拟南芥和水稻锌离子结合、锌离子跨膜转运蛋白活性和金属离子结合中的作用。

对于Zn含量，有一种候选基因纸盘7B02G142200对于染色体7B上鉴定出BobWhite_C7907_657，其功能与小麦中的DNA结合和金属离子结合有关。

铁含量，两个候选基因，traests6b02g029300和TRAESCS6B02G029200，在染色体6b上鉴定出Excalibur_c6326_77。这两个基因的功能主要与Ca依赖性Ca离子结合，Fe离子结合，ATP结合和DNA结合有关拟南芥.

在染色体7B上，鉴定了两种候选基因，用于对CD和Pb含量有关的Fe含量。的基因纸盘7B02G480300对于Excalibur_c19455_3496主要与Fe离子结合、Fe-和zn -离子跨膜转运蛋白活性、阳离子结合、金属离子结合、金属离子跨膜转运蛋白活性有关大麦芽,奥雅萨苜蓿,拟南芥.该基因主要参与Fe，Zn和金属离子输送的生物过程。其他基因，纸盘7B02G478200，也主要与Fe离子结合，金属离子结合，Zn离子结合和Ca离子结合有关选用,拟南芥,小麦属植物urartu.在拟南芥该基因对镉离子具有天冬氨酸型内肽酶活性。

在染色体1B、1D、4A、4B和5A上发现了5个Cd含量的候选基因。基因TRAESCS1B02G474800.对于Tdurum_contig44851_927主要与Cu离子结合和金属离子结合有关选用和拟南芥. 该基因主要参与木质素的降解。功能TRAESCS1D02G448700主要涉及Fe离子结合，Ca离子结合，金属离子结合和Mg离子结合拟南芥和选用.其中影响的生物过程之一是对CD离子的反应。的基因纸盘4B02G004800Cu离子结合，金属离子结合，四种Fe和四个簇结合的功能，以及离子跨膜转运蛋白活性的管理选用和拟南芥.但是，基因纸盘5A02G014600受影响的CD和Pb含量涉及Zn离子结合，以及阳离子和Mn-跨膜转运蛋白活性，Mg离子结合和金属离子结合。

金属元素包括有益元素和有害元素；其中有益元素对保持人体健康十分重要。但是，要保证食品安全，就应该避免重金属。除了生物强化锌、铁和硒的农艺措施外，这些元素的遗传改良也变得很重要。以前的研究已经确定了一些涉及21条小麦染色体的锌、硒和铁含量的QTL/基因座[13.,15.,16.,17.,18.,27.,31.,32.,33.,34.,35.,36.,37.,38.]; 然而，在我们的研究中，在20条染色体上发现了Ca、Zn、Fe、Se、Mn和Cu含量的MTAs位点，即除6D染色体外的所有染色体。以前，检测到的锌、铁和硒的重要qtl位于染色体7B、4A、3B、2D、5A、5B、6A和7A上[13.］．在本研究中，1B、3B、3D、4B、5A、6B、7B和7D染色体是与Ca、Zn、Fe、Se、Mn和Cu含量相关的mta位点的重要染色体。通过比较发现，普通染色体3B、5A和7B在调控小麦籽粒钙、铁、锌含量中发挥重要作用，并含有一些重要的基因。

利用生物信息学方法对候选基因(mrna_1 .1、mRNA_3.1、mRNA_10.1、mRNA_23.1、mRNA_24.1和mRNA_32.1;在3BS(723,504,241 ~ 723,611,488)(前6个基因)和5AL(462,763,758 ~ 468,582,184)(后4个基因)的物理区域鉴定出与Zn含量相关的mRNA_11.1、mRNA_34.1、mRNA_42.1和mRNA_44.1) [21.］．这项研究确定了两个候选基因，纸盘S3B02G307600.1，物理区域从493,655,348到493,657,938和traests3b02g307400物理区域在3B染色体493,648,449 ~ 493,653,177之间，与籽粒Ca、Zn浓度相关。通过比较它们的物理位置，我们发现这两个基因与先前发表的基因上游的上述基因不同。这些发表的3BS基因被发现属于丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族，该家族的基因参与激酶活性，导致蛋白质磷酸化，进而在各种生物过程中帮助实现所需的分子功能[13.]. MAPKs通过信号通路参与锌的吸收和转运。mRNA_32.1基因编码与鹰嘴豆种子锌含量相关的白杏蛋白抑制因子[39.，一种参与RNA处理的RNA结合蛋白[13.］．在我们的研究中，根据这两种新候选基因的推定功能，似乎也参与了蛋白激酶活性和RNA结合;尽管主要是它们参与金属离子结合，Ca离子结合，ATP结合和ATP酶活性，表明它们涉及Ca和Zn吸收和运输。在染色体5AL上，最后四个基因编码直接或间接参与Zn生物化的Tamtp蛋白，它们的功能主要参与DNA结合，Zn / Fe结合和蛋白质二聚物[13.,21.然而，本研究确定了三种候选基因，TRAESCS5A02G256700.1.,TraesCS5A01G256800.1,TraesCS5A02G257000.1小麦籽粒钙含量的5A染色体研究其物理区域为472,274,579 ~ 472,347,557，与已发表基因的物理位置不同。它们的功能主要涉及阳离子结合、锌离子结合、金属离子结合、锌和铁跨膜转运蛋白活性、ATP结合和蛋白激酶活性。此外，有研究人员发现，染色体5A在调控颗粒Cu浓度中起着重要作用[27.,34.]. 因此，这些在染色体3B和5A上发现的新的候选基因适合于进一步的分子遗传学研究。

在7B染色体上，利用DArT-seq技术鉴定出2个控制Zn含量的主要qtl [15.]. 这些基因编码激酶样超家族，催化磷酸化过程，其中一些蛋白质结构与锌有关[15.]. 在这项研究中，一个新的候选基因，纸盘7B02G142200预计，预计将参与小麦中的DNA结合和金属离子结合。这些结果表明该基因在染色体7B上控制Zn浓度。

关于铁蛋白，先前的研究发现，小麦中的同源组5和4分别与空泡铁转运蛋白和转运蛋白样蛋白相关的基因，如TaFer1和TaFer2[40］．另一个与生物强化有关的小麦基因是6B染色体上的主要谷物蛋白基因Gpc1，它也影响谷物中的Zn和Fe浓度[13.,41.］．因为它可以调节涉及Zn和Fe的出口和运输中的几种基因的表达，通过验韧韧带[42.]. 这项研究预测了三个候选基因，traests6b02g029300,纸盘7B02G480300,纸盘7B02G478200，物理区域分别为17,703,175至17,704,083,734,274,042至734,274,042至733,527,458至733,530,221至733,530,221，主要涉及Fe-和Ca离子结合，金属离子结合，Zn离子结合，ATP结合，ATP酶活性和DNA捆绑。因此，这些基因对于改善Fe浓度至关重要，这是一个认证进一步研究的发现。

重金属的积累（例如Cd，AS和Pb）是由多个基因控制的复杂的定量性状。最先前关于CD积累机制的研究集中在稻米，玉米和蒂利亚纳。一个主要的QTL被映射以将CD从根部转化为米饭幼苗阶段的拍摄[43.］．通过GWAS，在A. Thilala [44.]. 利用全基因组关联分析和QTL定位技术，对玉米叶片Cd积累的遗传控制进行了研究[4.]. 然而，目前对小麦镉、砷、铅的遗传控制研究还很少。在这里，我们发现了一些重要的MTAs基因座的Cd和Pb含量涉及染色体1B，1D，4A，4B，5A，6B和7B。这说明一些重要的基因需要研究。

以前的研究表明，重金属ATP酶，金属耐受蛋白（MTP）和固有抗性相关的巨噬细胞蛋白参与谷物中金属的沉积[44.］．植物MTPS是过渡金属转运蛋白，其催化Zn，Fe，Mn，Cd，Co或Ni离子的Zn，Fe，Mn，Cd，Co或Ni离子的外部到细胞外部或亚细胞室[45.,46.］．因此，一些重金属和一些有益的矿物质元素之间，或者简单地说，矿物质元素之间，似乎有协同作用。一旦金属离子在水稻中被吸收，Cd从根向地上部的转运需要Cd从中柱的共质体进入木质部，而这又需要重金属atp酶[47.］．CD相关基因GRMZM2G175576型在玉米中鉴定了编码重金属转运ATP酶，其与水稻基因同源oshma3.[4.］．然而，在我们的研究中，在小麦中预测了与CD含量相关的六种候选基因，其中两种效果多，即Cd和Pb含量和Cd，Fe和Pb含量。它们的功能主要参与离子结合，包括金属，Fe，Ca-，Cu-，Mg-和Zn离子结合。因此，矿物质元素中存在基因相互作用，包括一些有害的人，一些对人类有益的东西。

总之，本文共鉴定了9种矿质元素的17个主效MAT基因座，预测了16个候选基因。在12条染色体（1A、1B、1D、2B、3B、3D、5A、5B、6B、7A和7D）上发现MTA基因座簇。共检测到8个控制多个性状的多效MAT基因座，主要分布在3B、7B和5A染色体上。这些候选基因的功能主要涉及离子结合，包括金属离子、铁离子、钙离子、铜离子、镁离子和锌离子结合、ATP结合、ATP酶活性、DNA结合、RNA结合和蛋白激酶活性。研究中的某些矿物元素之间存在基因互作。因此，本研究为提高小麦籽粒矿质元素含量提供了重要的基因座和基因信息。在今后的研究中，这些候选基因还需要进一步研究，以阐明控制小麦籽粒中这些矿质元素含量的分子机制。

目前研究期间使用的所有数据都包含在本发表的文章中，或者可以从相应的作者提供合理的要求https://pan.baidu.com/s/1x8isflrbp0x-u6kmcisghg.. 声明：数据库已关闭，因此在访问此数据库之前，请向相应作者请求密码。

QTL：

数量性状基因座

GWAS：

基因组协会研究

瑞来斯:

重组自交系

MQTL:

Meta-QTL

MTAS：

Marker-trait协会

SNPS：

单核苷酸多态性

DZ：

德州

TA：

泰安

方差分析：

方差分析

MLM：

混合线性模型

NCBI：

国家生物技术信息中心

地图：

促丝糖型活化蛋白激酶

中期计划：

金属耐受性蛋白质

我们感谢四川农业大学的吉瑞望博士对SNP基因分型的分析。

透明的报告

小麦是一个广泛种植的常见作物。本研究不包含任何需要伦理同意或批准的研究。

基金资助:国家自然科学基金项目(No. 31871613);山东省农业良中项目资助项目(No. 2019LZGC01702);山东省研究生教育导师能力提升计划项目(No. 31871613);山东省自然科学基金资助项目(SDYY18114);ZR2017LA012)和山东省“双一流”项目。资助机构为研究项目提供了资金支持，但不参与研究的设计、数据的收集、分析和解释以及手稿的撰写。

作者笔记

1. 魏王和洪国同样为这项工作做出了贡献。

从属关系

1. 山东农业大学作物生物学国家重点实验室，山东省作物生物学重点实验室，中国农业科学院小麦品质与分子育种研究所，泰安，山东，271000

   魏王，洪国，崇宁吴，惠宇，吉春田＆Zhiying邓

2. 2 .邯郸市农业科学院，河北邯郸，056000

   李小康

3. 德州大学生态与园林建筑学院，山东德州，253023，P.R.中国

   广府陈

贡献

Zhiying Deng设计并修订了本文;魏王和洪国分析了数据并写了稿件;洪郭，小康李，崇宁吴调查并分析了表型数据;崇宁吴和惠宇筛选了候选基因，广府陈建了地图;吉春田审查了这篇论文;所有作者均已读取并批准此稿件。

相应的作者

对应于判断邓.

道德认可和参与同意

不适用。

出版许可

不适用。

相互竞争的利益

作者声明他们没有相互竞争的利益。

出版商的注意

斯普林格自然保持中立，就管辖权的要求，在出版的地图和机构的联系。

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