Nature | 十年深耕！基因組所程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)解碼全球小麥種質(zhì)多樣性

預(yù)計(jì)未來(lái)30年世界人口將增加20億，小麥作為熱量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和纖維的重要來(lái)源，對(duì)小麥產(chǎn)量的需求將增加。受到氣候變化和地緣政治不穩(wěn)定的影響滿足需求的能力也受到挑戰(zhàn)。使這些挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的是，現(xiàn)代品種遺傳多樣性的縮小導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)已經(jīng)放緩。

同時(shí)由于缺乏遺傳資源和適當(dāng)?shù)谋硇蛿?shù)據(jù)集，用于鑒定在地方品種中存在但在現(xiàn)代品種中不存在的等位基因。這導(dǎo)致在現(xiàn)代育種中很少使用地方品種多樣性。因此，盡管有潛力開(kāi)發(fā)更有彈性和營(yíng)養(yǎng)的作物，但地方品種價(jià)值的全部程度受到發(fā)現(xiàn)和部署地方品種多樣性所需的足夠基因組、遺傳和表型資源的限制，這限制了它們?cè)谟N中的利用。

2024年6月17日，Nature在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所程時(shí)鋒研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)約翰·英納斯中心(John Innes Centre)等國(guó)內(nèi)外多家優(yōu)勢(shì)單位題為“Harnessing Landrace Diversity Empowers Wheat Breeding”的研究成果。

研究結(jié)論

1.827個(gè)Watkins地方品種和208個(gè)現(xiàn)代品種全基因組重測(cè)序，將Watkins劃分為7個(gè)祖先群，現(xiàn)代小麥的創(chuàng)始系分別起源于西歐和中歐的AG2和AG5，其他5個(gè)祖先群可以為小麥育種提供豐富的資源；

2.基于基因組信息分析，地方品種可以為傳統(tǒng)育種中顧此失彼的策略提供一種更好策略，在保證某個(gè)性狀的前提下利用基因多樣性篩選到對(duì)該性狀具有正向或中性作用的基因。例如在提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)上也保證株高不受到影響等；

研究結(jié)果

1.Watkins地區(qū)未開(kāi)發(fā)的多樣性

為了確定Watkins的新遺傳變異，對(duì)827個(gè)地方品種（地方品種的收集點(diǎn)代表了20世紀(jì)20年代世界上所有主要的小麥產(chǎn)區(qū)）進(jìn)行全基因組重測(cè)序。結(jié)果可以將Watkins劃分為7個(gè)祖先群，指定為AG1至AG7(圖1a、b)。為了探索現(xiàn)代小麥與祖先群體之間的關(guān)系，選擇了208個(gè)獨(dú)立的小麥品種以及15個(gè)先前描述的品種（來(lái)自25個(gè)國(guó)家的1169個(gè)品種進(jìn)行基因分型）進(jìn)行全基因組測(cè)序。將Watkins和現(xiàn)代小麥結(jié)合在一起共發(fā)現(xiàn)了大約2.62億個(gè)高質(zhì)量的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)。

現(xiàn)代小麥的SNP組成與分別起源于西歐和中歐的AG2和AG5(圖1b)有很大重疊，這表明這些祖先群體提供了現(xiàn)代小麥的創(chuàng)始系。Watkins含有現(xiàn)代小麥中不存在的變體，獨(dú)有的1.62億個(gè)SNP(62%)， 970萬(wàn)個(gè)插入或缺失(57%)和57,000個(gè)拷貝數(shù)變異(CNVs, 53%)。這些基因主要由5個(gè)祖先群體(AG1, AG3, AG4, AG6和AG7)攜帶(圖1c)，與現(xiàn)代小麥幾乎沒(méi)有重疊。這些數(shù)據(jù)表明，這5個(gè)系統(tǒng)發(fā)育上孤立的祖先群體具有高度的多樣性，為小麥育種提供了一個(gè)以前未開(kāi)發(fā)的多樣性寶庫(kù)。

為了進(jìn)一步探索現(xiàn)代小麥的地方品種起源，使用遠(yuǎn)程單倍型來(lái)可視化其基因組中狀態(tài)(IBS)區(qū)域的身份鑲嵌(圖1d)。平均而言，在著絲粒區(qū)域，IBS片段在159.78 Mb的長(zhǎng)度上保持完整，它們?cè)谶h(yuǎn)端區(qū)域較短。只要有26個(gè)Watkins加入就可以作為IBS片段的虛擬捐贈(zèng)者進(jìn)行建模，以重建50%以上的現(xiàn)代小麥基因組。

為了定位現(xiàn)代小麥中缺失的變異，使用基于連鎖不平衡(LD)的單倍型分析共鑒定出71,282個(gè)單倍體，將這些單倍體與現(xiàn)代小麥的IBS染色體圖譜進(jìn)行了比對(duì)，揭示了染色體片段新排列的潛力，用Watkins獨(dú)特的單倍型豐富了小麥種質(zhì)資源當(dāng)前的IBS結(jié)構(gòu)(圖1e)。然而，除了在Watkins中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特變異外，在現(xiàn)代小麥中發(fā)現(xiàn)了2.5%的獨(dú)特單倍型變異，其中一些是在現(xiàn)代小麥的AG2/5地方品種基礎(chǔ)之后，由育種者(例如1BL/1RS15, RHT116和Pch117)產(chǎn)生的小麥野生近緣基因的滲透(圖1e)。

為了評(píng)估Watkins獨(dú)特的多樣性對(duì)性狀影響的潛力，研究了基因內(nèi)部或周?chē)l(fā)生的變異。在Watkins特有的SNPs中，有325,915個(gè)影響基因功能。其中特別值得注意的是，在現(xiàn)代小麥的13902個(gè)單態(tài)基因中發(fā)現(xiàn)了沃特金斯特有的SNPs(由SnpEff18注釋)，這意味著在精英小麥系譜中不存在變異來(lái)改善與這些基因相關(guān)的性狀。根據(jù)ontology term分析，這些基因控制著多種生物過(guò)程，可以影響重要的農(nóng)藝性狀，如產(chǎn)量、耐受性、營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量和抗病性。

圖1 Watkins地方品種與現(xiàn)代小麥的基因組變異比較

2.表型使地方品種單倍型增值

使用827份Watkins的表型數(shù)據(jù)集，以及73個(gè)“Paragon”× Watkins重組自交系(RIL)群體7(圖2a)，得到了6,762個(gè)RIL，對(duì)其進(jìn)行了大規(guī)模的田間表型分析和全基因組代入?？偣灿涗浟?37個(gè)性狀的表型數(shù)據(jù)，涵蓋了糧食產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、適應(yīng)性、非生物和生物抗逆性等主要類(lèi)別(圖2b)。這些廣泛的在10年多的時(shí)間里，在10個(gè)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，產(chǎn)生了71.7萬(wàn)多個(gè)觀測(cè)值和數(shù)據(jù)點(diǎn)(圖2c、d)。

將定位群體與基于序列的單倍型相結(jié)合，NAM-GWAS捕獲歷史和RIL群體重組，以及來(lái)自自然群體的常見(jiàn)等位基因和分離群體中頻率放大的罕見(jiàn)有用等位基因，在單倍型分辨率上計(jì)算了強(qiáng)大的QTL效應(yīng)，并確定了Watkins地方小麥和現(xiàn)代小麥之間有用的QTL等位基因的分布(圖2e,f)?？偣茶b定出8253個(gè)遺傳效應(yīng)(3280個(gè)QTL, 1428個(gè)GWAS和3545個(gè)NAM-GWAS標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián))。根據(jù)等位基因效應(yīng)的方向，有1696個(gè)品種具有改良Paragon等現(xiàn)代品種的潛力，其中有36%(613個(gè))的相關(guān)SNP被定位在現(xiàn)代小麥中不存在的單倍型中(圖2)。

盡管與NAM和GWAS相比遺傳分辨率降低，但使用單雙親本群體對(duì)于檢測(cè)非常罕見(jiàn)的Watkins單倍型的QTL是必不可少的。例如，只有33種Watkins品種表現(xiàn)出對(duì)條紋銹病Puccinia striiformis抗性(圖2e)。多個(gè)結(jié)果突出了利用確定的大量遺傳效應(yīng)來(lái)幫助傳遞具有農(nóng)藝價(jià)值的新性狀的潛力。

圖2 Watkins有用性狀的遺傳解剖

為了闡明這些等位基因在小麥育種改良中的潛在作用，開(kāi)發(fā)了近等基因系(NILs)來(lái)測(cè)試這些性狀關(guān)系(例如粒重與粒數(shù)或籽粒產(chǎn)量與籽粒蛋白質(zhì)含量)在個(gè)體QTL效應(yīng)中的維持程度(圖2g)。每個(gè)位點(diǎn)-性狀組合后發(fā)現(xiàn)了這些主要拮抗關(guān)系的外顯率范圍，其中一個(gè)性狀的幾個(gè)正效應(yīng)QTL對(duì)另一個(gè)性狀是中性的或正的，推翻了普遍的關(guān)系，為現(xiàn)代小麥的創(chuàng)始育種者提供了一種選擇途徑(圖2)。

這種對(duì)權(quán)衡的理解為育種提供了一種策略，以恢復(fù)在現(xiàn)代育種中由于一對(duì)性狀之一的優(yōu)先選擇壓力而丟失的有益表型。例如，育種降低作物高度以避免倒伏，并通過(guò)收獲指數(shù)提高產(chǎn)量是自20世紀(jì)初以來(lái)的一個(gè)連續(xù)過(guò)程。最終在20世紀(jì)60年代培育出了RHT1半矮稈綠色革命小麥品種，其特點(diǎn)是矮小，收獲指數(shù)和產(chǎn)量高(圖3a)。然而，這種高度降低和收獲指數(shù)增加的耦合可能是以犧牲作物生物量為代價(jià)的，生物量與高度呈正相關(guān)。認(rèn)識(shí)到生物量作為糧食產(chǎn)量生理組成部分的重要性，基于以上的分析可以尋找在保持或提高產(chǎn)量的同時(shí)增加高度/生物量的Watkins等位基因。在鑒定的291個(gè)與株高有關(guān)的QTL中，187個(gè)降低株高的QTL來(lái)自Paragon品種(圖3b)，反映了該性狀在現(xiàn)代品種中的選擇歷史及其多基因特性。在7BL染色體臂上選擇了一個(gè)與其他增高QTL等位基因不同的增高Watkins單倍型，該基因?qū)κ斋@指數(shù)沒(méi)有不利影響。與染色體臂7BL靶區(qū)相對(duì)應(yīng)的局部LD區(qū)包含連續(xù)的單倍型，這些單倍型在現(xiàn)代小麥中要么不存在，要么很少出現(xiàn)(圖3c,d)。與育種公司一起在NILs中進(jìn)行多位點(diǎn)試驗(yàn)，確定這些單倍型與身高增加9.37 cm (P = 0.002)和糧食產(chǎn)量相關(guān)，與Paragon相比增加了0.39噸 ha - 1 (P < 0.002)(圖3e)。

通過(guò)增加株高和生物量來(lái)提高產(chǎn)量可能會(huì)增加倒伏的風(fēng)險(xiǎn)。因此利用Watkins資源擴(kuò)大了替代非rht1半矮化基因的可及性，這些基因可以降低植株的高度，但不會(huì)降低產(chǎn)量。研究篩選到新的RHT8為育種者提供了精確的遺傳工具來(lái)控制植物高度，而不會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)多效效應(yīng)，特別是在地中海環(huán)境中。通過(guò)整合這些結(jié)果，不僅發(fā)現(xiàn)了小麥育種早期遺留的等位基因效應(yīng)的現(xiàn)代應(yīng)用，而且還完善了對(duì)既定遺傳效應(yīng)的理解。

圖3 恢復(fù)綠色革命留下的有用多樣性

3.地方品種變異在育種中的應(yīng)用

為量化和加速Watkins多樣性對(duì)未來(lái)育種工作的影響開(kāi)發(fā)了新的育種工具，并系統(tǒng)地將潛在有益的Watkins QTL等位基因引入Paragon現(xiàn)代小麥遺傳背景。這是通過(guò)Paragon與攜帶目標(biāo)Watkins等位基因的選定Paragon × Watkins RILs的兩次回交來(lái)完成的，結(jié)果超過(guò)87.5%的等基因家族使用純合兄弟姐妹群體(每個(gè)等位基因2-3個(gè)系)來(lái)估計(jì)Watkins等位基因效應(yīng)。通過(guò)這種方法成功導(dǎo)入了127個(gè)優(yōu)先的QTL等位基因，共738個(gè)NILs，并利用這些NILs量化了Watkins等位基因在Paragon統(tǒng)一現(xiàn)代遺傳背景下的育種價(jià)值。在這127個(gè)優(yōu)先定位的QTL靶點(diǎn)中，有107個(gè)來(lái)自AG1、AG3、AG4、AG6和AG7(圖1c和4a)。對(duì)于每條染色體，AG2/5以外的祖先群體多樣性明顯增強(qiáng)(圖4b)，相關(guān)的等位基因效應(yīng)有望用于小麥改良(圖4c)。滲入片段包括44,338個(gè)Watkins特有的基于LD的單倍型，彌合了地方品種多樣性和現(xiàn)代育種之間的差距(圖4d)。

為了評(píng)估這些基因滲入所帶來(lái)的表型價(jià)值，對(duì)等基因家族進(jìn)行了廣泛的實(shí)地評(píng)估。在重復(fù)的田間試驗(yàn)中，在足夠大的地塊(6平方米)種植的品系進(jìn)行了農(nóng)業(yè)上實(shí)際的產(chǎn)量評(píng)估。在等基因的Paragon背景下，通過(guò)比較Watkins和Paragon的等位基因效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)抽穗日期的變化范圍從提前6天到推遲2天，高度效應(yīng)從減少5厘米到增加13厘米不等，考慮到統(tǒng)計(jì)上顯著的個(gè)體等位基因效應(yīng)，產(chǎn)量增加高達(dá)0.91 t / ha - 1。本研究中的等位基因育種優(yōu)先級(jí)考慮了偏離性狀拮抗的因素(圖2)，五種單倍型可以顯著增加谷物蛋白質(zhì)(制作面包的重要品質(zhì)性狀)，其中三種單倍型對(duì)谷物產(chǎn)量沒(méi)有負(fù)面影響。考慮到谷物產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量之間經(jīng)常觀察到的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這些知識(shí)極大地增加了這些單倍型作為育種目標(biāo)的吸引力。因此，本研究為育種中Watkins等位基因的選擇提供了關(guān)鍵資源，可以將主要目標(biāo)性狀與其多效效應(yīng)結(jié)合起來(lái)考慮。

圖4 驗(yàn)證育種價(jià)值

研究思考

該研究歷經(jīng)10年，對(duì)827個(gè)地方品種和205個(gè)現(xiàn)代品種小麥進(jìn)行了表型統(tǒng)計(jì)和全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅為小麥未來(lái)的育種策略提供新思路，同時(shí)也為基因篩選提供了多樣的選擇。

在過(guò)去的10年里，我們也同樣深耕在植物代謝領(lǐng)域，努力實(shí)現(xiàn)1到∞的可能。育種過(guò)程中篩選的很多性狀也與代謝物直接相關(guān)，例如產(chǎn)量、高矮、倒伏等。

在2024年上半年我們也完成了植物廣泛靶向?代謝組產(chǎn)品的升級(jí)，本次升級(jí)主要包括3個(gè)方面：

數(shù)據(jù)庫(kù)升級(jí)：本次升級(jí)主要增加的為次生代謝物，數(shù)據(jù)庫(kù)目前包含35000+物質(zhì)，其中33000+種均為次生代謝物；

檢出升級(jí)：檢出有了顯著的提升，目前植物廣泛靶向?代謝組的最高檢出可以達(dá)到4000個(gè)物質(zhì)，Level1平均可以達(dá)到600+，最高可到900+；

分析升級(jí)：MetMapTM的分析已經(jīng)升級(jí)到V2.0版本，包含有60條代謝通路，相較于V1.2版本新增30條通路，通路覆蓋黃酮、萜類(lèi)、生物堿、香豆素等次生物質(zhì)通路，升級(jí)后的MetMap通路為KEGG擴(kuò)展了2800+種新物質(zhì)；

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