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玉米团队利用CUBIC群体推进定制化玉米遗传改良

核心提示: 近日,来自华中农业大学、北京农林科学院、河北农业大学等多个单位的研究人员在开放获取期刊Genome Biology 在线发表题为“CUBIC: an atlas of genetic architecture promises directed maize improvement”的研究论文。

南湖新闻网讯(通讯员 刘海军 肖英杰)2020新年伊始,来自华中农业大学、北京农林科学院、河北农业大学等多个单位的研究人员在开放获取期刊Genome Biology 在线发表题为“CUBIC: an atlas of genetic architecture promises directed maize improvement”的研究论文。

该研究创新性地发展了被命名为CUBIC的遗传群体,并利用此群体对23个玉米重要的农艺性状进行了系统性的遗传剖析。在鉴定到数百个数量性状位点(QTL)的基础上,充分利用本群体设计的优点,结合多组学、多群体分析快速锁定目标基因,并以一个叶宽基因的克隆为例展示了该策略在功能基因快速克隆方面的优势。

“消除饥饿,实现粮食安全,改善营养状况和促进可持续农业”,居于联合国公布的全球17个可持续发展目标第2位。玉米是全球第一大粮食作物,同时作为饲料的最主要来源,对于保障人类粮食安全、满足肉食消费需求兼具重要意义。数据表明,到2050年,我国居民对肉类的消费将提高一倍。尽管近年来玉米在我国种植面积不断提高,但由于单位产量、生产效率等依旧落后欧美水平,导致仍旧需要大量进口来填补国内市场缺口,日益成为我国农业和粮食安全的“卡脖子”问题之一。

如何更好地理解玉米重要农艺性状的遗传基础,挖掘我国骨干自交系资源助力定制化育种,是我们的一个长期目标。传统上,研究人员多在广泛收集多样性材料构建自然群体的基础上,进一步通过全基因组关联分析来实现这一目标。但由于自然群体多存在明显的群体结构及普遍的低频功能变异,在复杂农艺性状遗传定位的进展中并不十分理想。为解决这一问题,人类群体遗传学研究往往通过不断扩大样本量来追求功效的提高,目前,人类关联分析研究样本已突破百万个体。不同的是,植物遗传学研究可以通过“可控杂交”的方式进行各种遗传交配设计,从而弥补样本量的不足。F2和RIL等群体是植物遗传研究中传统的交配设计,为第一代交配设计;基于多亲本遗传群体,如康奈尔大学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遗传设计。但第二代群体也有不足,如NAM群体除却共有亲本外,其余亲本间没有遗传交流,这大大降低了单倍型组合的多样性;MAGIC群体通过亲本间两两组配克服了这一缺点,但一般来说亲本数目需要固定(2的m幂次方)且群体发展周期较长(需要m代才能将所有亲本融合)等等。

本研究所发展的CUBIC群体亲本是广泛应用于我国育种项目的24个骨干材料,创新性的通过两轮双列杂交在实现了所有亲本基因交流的情况下大大缩短了群体发展周期,接着采用6代开放授粉和6代连续自交,最终得到1404个自交家系用于后续研究。独特的一点在于,CUBIC在设计之初就将遗传育种作为重要目标,以育种家的视角在两轮双列杂交过程中加入人工选择,以期获得优异的育种材料。相较于传统遗传群体,CUBIC设计具有遗传多样性高、群体结构不明显、重组事件更加充分、与育种目标更加密切等诸多优势,这些特点保证了本群体有更高的定位功效,并预期产生可直接应用育种实践的成果。

通过对亲本及子代进行低覆盖度的全基因组测序,研究人员共获得一千四百万高质量SNP变异,并据此构建了高密度的重组图谱。结合基于单标记和单倍型(IBD)的全基因组关联分析,鉴定了600多个QTL,这些位点解释了平均高达70%的遗传力。通过模拟分析,作者发现基于IBD的方法对于挖掘多个功能基因或功能等位基因型的区间尤为有效,可作为传统单标记方法的很好补充。此外,研究人员还观察到上位性普遍存在,可平均解释多达15%的遗传变异。通过这些丰富的信息并结合每个QTL的效应,研究人员揭示通过有限的重组就可以实现产量,株型和花期的协调统一,实现定制育种。

获得大量QTL后,如何更快速、系统性地克隆其背后的功能基因成为另一个关键。由于CUBIC子代在每个特定区间与亲本构建了明确的单倍型关系,因此可看作由多个双亲本重组自交系构成,研究人员发现利用这一特点可以更进一步的精细定位目标基因。作者以叶宽为示例,展示了如何借助这一系列分析快速克隆其主效基因,并通过转录组、代谢组等线索对这一基因的潜在分子机制进行了解析。作者进一步揭示可以通过多组学及多群体交叉分析可实现快速、批量提名目标性状的候选基因,为功能基因的批量克隆奠定了基础。

据悉,CUBIC群体从概念提出到今天展示第一份成果已历经15年。基于此项工作,华中农业大学与兄弟单位建立了深厚的合作友谊;华中农业大学王夏青博士和北京农林科学院张如养副研究员因此合作项目而结缘,并喜结连理。目前,以本群体为基础,与多个单位合作的系列工作正在快速推进。严建兵教授等10多年前收集的包含500份玉米自交系的关联群体,目前已与国内外50多家单位共享,累计分发种子超1万5000份,在Nature Genetics、Nature Communications、PNAS等期刊发表高水平文章40余篇。严建兵教授表示该群体也会继续采取共享模式,华中农业大学玉米团队的“资源共享,众筹研究”这一研究范式推动了我国玉米研究组织模式的创新,并正被更多的团队所借鉴。

华中农业大学严建兵教授和北京农林科学院赵久然研究员为论文的共同通讯作者;来自这两个团队的7名由博士后及博士生组成的攻坚小组为论文共同第一作者;河北农大孟义江副教授、广东农科院晏石娟副研究员、未米生物科技有限公司许洁婷、美国农业部Warburton博士,以及来自华中农大和北京农林两个团队的多名研究人员等均对本项目的顺利开展付出了艰辛努力。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市科技计划项目、博士后创新人才支持计划等资助。

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审核人:孙超

责任编辑:黄辉
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