全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）是研究动植物复杂性状的重要手段，但传统 GWAS 具有可量化的传统表型数据有限、同一性状关联到的主效基因难以确定、验证风险高等局限性，大大限制了 GWAS 在基因定位和功能研究上的应用。而代谢物小分子作为细胞内生命活动的最终体现，与动植物的表型变化息息相关，具有种类多、数量大、便宜检测等优点，将其作为表型与基因组进行关联分析的mGWAS（Metabolite Genome-Wide Association Study, mGWAS）技术应运而生。目前已成为筛选优异性状生物学标记、鉴定候选功能基因、农作物遗传改良的有力工具。为详解mGWAS在植物领域中的具体应用方式，本文总结了一些经典研究案例的研究思路，希望可以加速友友们的科研进程。
谷子由野生绿色狗尾草驯化而来，除具有很高的营养价值之外还具药用价值，但其遗传机制尚不明晰。本研究以398份谷子自然群体为研究材料，通过全基因组重测序、转录组、代谢组等多组学联合分析，鉴定到数百个与自然变异相关的代谢物，并发现在不同的谷子亚群之间，代谢物的自然变异及其遗传结构存在巨大差异。通过mGWAS和TWAS联合分析发现与谷子黄粒性状相关基因的选择导致了胡萝卜素等代谢物含量的改变。体外细胞炎症试验表明，谷粒中的83种代谢物具有抗炎作用。该研究揭示了谷子驯化过程中代谢物定向变化的遗传机制，为谷子营养价值的改良奠定遗传基础。
研究策略
mGWAS和TWAS联合分析鉴定种皮颜色相关的代谢物和基因
耕地盐碱化是影响农作物产量以及品质的重要因素之一，培育盐耐受作物可满足长期可持续发展的需求。玉米是我国第一大作物，耕地盐碱化是限制我国玉米产业可持续发展的主要环境因素之一。该研究从基因组角度系统解析玉米耐盐碱相关的自然变异，结合代谢组，挖掘一系列盐碱耐受性相关基因和生物标记，为玉米耐盐碱性的遗传改良奠定了坚实基础，对保障我国玉米产业的可持续发展有重要的理论和实践意义。
玉米盐诱导渗透胁迫（SIOS）耐受性的预测模型
紫苏茎叶及子实可做药用、叶片可供食用、种子榨出的油可供食用和供工业用，是重要的经济作物。α-亚麻酸是人体无法自身合成的必须脂肪酸，只能从膳食中获得，紫苏中α-亚麻酸含量非常高是日常补充α-亚麻酸的重要食品性来源。该研究通过比较基因组学解析紫苏多倍体化的遗传基础。对紫苏的产量、株型、单萜类挥发性化合物、α-亚麻酸含量等重要农艺和药学性状进行GWAS和mGWAS分析，确定了相关的候选基因，为药用植物的基础研究、制药和开发奠定坚实基础。
研究思路
GWAS和mGWAS分析紫苏叶片颜色和种子含油量相关候选基因
由以上研究可以发现，mGWAS是GWAS类研究重要的拓展方向，为难以检测的表型提供了重要的载体。由于代谢物通路更加清晰明确，通过mGWAS分析不仅能更便宜确定重要经济性状的生物学标记，与之相关的候选基因，还可明确相关的调控途径。
mGWAS主要研究思路：
mGWAS主要应用策略：
1. 标准mGWAS分析可鉴定影响果蔬风味、农作物营养价值、药用植物活性成分等相关的候选基因和调控机制
2. 关注表型的代谢物生物学标记及相关调控基因，可选择：
1）GWAS与mGWAS联合分析；
2）代谢物先与表型进行关联分析，明确目的性状相关的代谢物质，有效缩小候选代谢物的范围，之后再进行mGWAS分析。
3. 有效缩小mGWAS候选基因范围
1）mGWAS与TWAS（全转录组关联分析）进行联合分析；
2）mGWAS与eGWAS/eQTL进行联合分析；
3）mGWAS与选择消除进行联合分析。
4. 获得更为全面的代谢物关联分析结果选择mGWAS群体中的部分代表性材料通过三代重测序分析检测基因组结构变异，之后再与代谢组的数据进行SV-mGWAS分析。
mGWAS植物领域主要应用方向：
参考文献：
[1] Liang X, Liu S, Wang T, Li F, Cheng J, Lai J, Qin F, Li Z, Wang X, Jiang C. (2021) Metabolomics-driven gene mining and genetic improvement of tolerance to salt-induced osmotic stress in maize. New Phytol. 230, 2355-2370.[2] Li X., Gao J., Song J., Guo K., Hou S., Wang X., He Q., Zhang Y., Zhang Y., Yang Y., Tang J., Wang H., Persson S., Huang M., Xu L., Zhong L., Li D., Liu Y., Wu H., Diao X., Chen P., Wang X., and Han Y. (2022). Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication, metabolite traits, and anti-inflammatory effects. Mol. Plant. 15, 1367–1383.[3] Zhang Y, Shen Q, Leng L, Zhang D, Chen S, Shi Y, Ning Z, Chen S. Incipient diploidization of the medicinal plant Perilla within 10,000 years. Nat Commun. 2021 Sep 17;12(1):5508.
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