2020新年伊始，來自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京農(nóng)林科學(xué)院、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)等多個單位的研究人員在Genome Biology 在線發(fā)表題為CUBIC: an atlas of genetic architecture promises directed maize improvement 的研究論文。該研究創(chuàng)新性地發(fā)展了被命名為CUBIC (Unbalanced Breeding-like Inter-Cross) 的遺傳群體，并利用此群體對23個玉米重要的農(nóng)藝性狀進(jìn)行了系統(tǒng)性的遺傳剖析。在鑒定到數(shù)百個數(shù)量性狀位點（QTL）的基礎(chǔ)上，充分利用本群體設(shè)計的優(yōu)點，結(jié)合多組學(xué)、多群體分析快速鎖定目標(biāo)基因，并以一個葉寬基因的克隆為例展示了該策略在功能基因快速克隆方面的優(yōu)勢。
“消除饑餓，實現(xiàn)糧食安全，改善營養(yǎng)狀況和促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)”，居于聯(lián)合國公布的全球17個可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)第2位。玉米是全球第一大糧食作物，同時作為飼料的最主要來源，對于保障人類糧食安全、滿足肉食消費(fèi)需求兼具重要意義。數(shù)據(jù)表明，到2050年，我國居民對肉類的消費(fèi)將提高一倍。盡管近年來玉米在我國種植面積不斷提高，但由于單位產(chǎn)量、生產(chǎn)效率等依舊落后歐美水平，導(dǎo)致仍舊需要大量進(jìn)口來填補(bǔ)國內(nèi)市場缺口，日益成為我國農(nóng)業(yè)和糧食安全的“卡脖子”問題之一。
如何更好地理解玉米重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)，挖掘我國骨干自交系資源助力定制化育種，是我們的一個長期目標(biāo)。傳統(tǒng)上，研究人員多在廣泛收集多樣性材料構(gòu)建自然群體的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過全基因組關(guān)聯(lián)分析來實現(xiàn)這一目標(biāo)。但由于自然群體多存在明顯的群體結(jié)構(gòu)及普遍的低頻功能變異，在復(fù)雜農(nóng)藝性狀遺傳定位的進(jìn)展中并不十分理想。為解決這一問題，人類群體遺傳學(xué)研究往往通過不斷擴(kuò)大樣本量來追求功效的提高，目前，人類關(guān)聯(lián)分析研究樣本已突破百萬個體。不同的是，植物遺傳學(xué)研究可以通過“可控雜交”的方式進(jìn)行各種遺傳交配設(shè)計，從而彌補(bǔ)樣本量的不足。F2和RIL等群體是植物遺傳研究中傳統(tǒng)的交配設(shè)計，為第一代交配設(shè)計；基于多親本遺傳群體，如康奈爾大學(xué)Buckler 博士提出的NAM、意大利Dell’Acqua 博士的MAGIC是玉米中有代表性的第二代遺傳設(shè)計。但第二代群體也有不足，如NAM群體除卻共有親本外，其余親本間沒有遺傳交流，這大大降低了單倍型組合的多樣性；MAGIC群體通過親本間兩兩組配克服了這一缺點，但一般來說親本數(shù)目需要固定（2的m冪次方）且群體發(fā)展周期較長（需要m代才能將所有親本融合）等等。
本研究所發(fā)展的CUBIC群體親本是廣泛應(yīng)用于我國育種項目的24個骨干材料，創(chuàng)新性的通過兩輪雙列雜交在實現(xiàn)了所有親本基因交流的情況下大大縮短了群體發(fā)展周期，接著采用6代開放授粉和6代連續(xù)自交，最終得到1404個自交家系用于后續(xù)研究。獨特的一點在于，CUBIC在設(shè)計之初就將遺傳育種作為重要目標(biāo)，以育種家的視角在兩輪雙列雜交過程中加入人工選擇，以期獲得優(yōu)異的育種材料。相較于傳統(tǒng)遺傳群體，CUBIC設(shè)計具有遺傳多樣性高、群體結(jié)構(gòu)不明顯、重組事件更加充分、與育種目標(biāo)更加密切等諸多優(yōu)勢，這些特點保證了本群體有更高的定位功效，并預(yù)期產(chǎn)生可直接應(yīng)用育種實踐的成果。
Development of the CUBIC population
通過對親本及子代進(jìn)行低覆蓋度的全基因組測序，研究人員共獲得一千四百萬高質(zhì)量SNP變異，并據(jù)此構(gòu)建了高密度的重組圖譜。結(jié)合基于單標(biāo)記和單倍型（IBD）的全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定了600多個QTL，這些位點解釋了平均高達(dá)70%的遺傳力。通過模擬分析，作者發(fā)現(xiàn)基于IBD的方法對于挖掘多個功能基因或功能等位基因型的區(qū)間尤為有效，可作為傳統(tǒng)單標(biāo)記方法的很好補(bǔ)充。此外，研究人員還觀察到上位性普遍存在，可平均解釋多達(dá)15%的遺傳變異。通過這些豐富的信息并結(jié)合每個QTL的效應(yīng)，研究人員揭示通過有限的重組就可以實現(xiàn)產(chǎn)量，株型和花期的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)定制育種。
獲得大量QTL后，如何更快速、系統(tǒng)性地克隆其背后的功能基因成為另一個關(guān)鍵。由于CUBIC子代在每個特定區(qū)間與親本構(gòu)建了明確的單倍型關(guān)系，因此可看作由多個雙親本重組自交系構(gòu)成，研究人員發(fā)現(xiàn)利用這一特點可以更進(jìn)一步的精細(xì)定位目標(biāo)基因。作者以葉寬為示例，展示了如何借助這一系列分析快速克隆其主效基因，并通過轉(zhuǎn)錄組、代謝組等線索對這一基因的潛在分子機(jī)制進(jìn)行了解析。作者進(jìn)一步揭示可以通過多組學(xué)及多群體交叉分析可實現(xiàn)快速、批量提名目標(biāo)性狀的候選基因，為功能基因的批量克隆奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)悉，CUBIC群體從概念提出到今天展示第一份成果已歷經(jīng)15年?；诖隧椆ぷ?，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)與兄弟單位建立了深厚的合作友誼；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王夏青博士和北京農(nóng)林科學(xué)院張如養(yǎng)副研究員因此合作項目而結(jié)緣，并喜結(jié)連理。目前，以本群體為基礎(chǔ)，與多個單位合作的系列工作正在快速推進(jìn)。嚴(yán)建兵教授等10多年前收集的包含500份玉米自交系的關(guān)聯(lián)群體，目前已與國內(nèi)外50多家單位共享，累計分發(fā)種子超1萬5000份，在Nature Genetics、Nature Communications、PNAS等期刊發(fā)表高水平文章40余篇。嚴(yán)建兵教授表示該群體也會繼續(xù)采取共享模式，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊的“資源共享，眾籌研究”這一研究范式推動了我國玉米研究組織模式的創(chuàng)新，并正被更多的團(tuán)隊所借鑒。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授和北京農(nóng)林科學(xué)院趙久然研究員為論文的共同通訊作者；來自這兩個團(tuán)隊的7名由博士后及博士生組成的攻堅小組為論文共同第一作者；河北農(nóng)大孟義江副教授、廣東農(nóng)科院晏石娟副研究員、未米生物科技有限公司許潔婷、美國農(nóng)業(yè)部Warburton博士，以及來自華中農(nóng)大和北京農(nóng)林兩個團(tuán)隊的多名研究人員等均對本項目的順利開展付出了艱辛努力。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市科技計劃項目、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等資助。
論文鏈接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-1930-x
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