Genome Biology | 一种新的遗传设计揭示玉米杂种优势利用的遗传机制
2021年5月10日，华中农业大学玉米团队联合国内外多家团队在国际学术期刊Genome Biology The genetic mechanism of heterosis utilization in maize improvement 的研究论文。该研究基于一个人工合成群体设计创建了迄今为止植物中最大规模的杂交遗传设计群体，共42820个玉米F1材料。结合基因组大数据，机器学习和全基因组关联分析方法，系统解析了玉米杂种优势和特殊配合力形成的遗传学基础，鉴定了在营养-生殖转换中响应的候选基因位点，为完善杂种优势假说、基因组设计育种提供了新的视角。 杂种优势是一种生物界普遍存在的遗传现象，是指杂合体在一种或多种性状上优于两个亲本的现象。玉米是全球最大的粮食和饲料作物之一，全球年产量超过10亿吨。玉米作为世界上最早利用杂种优势，也是利用最彻底的作物之一，杂种优势的利用为世界粮食安全做出了巨大贡献。杂交种的选育已经成为玉米种业激烈竞争的核心。由于不同种质材料的杂交组合的杂种优势存在很大差异，常规育种模式下，通过大规模杂交实验来筛选强优势组合是唯一的育种途径。在人工成本、经费投入和土地面积等因素限制下，一个优良玉米杂交品种的选育往往需耗时数年，甚至10年以上。 挖掘控制杂种优势的基因，对继续开发利用玉米杂种优势，保障世界粮食安全具有举足轻重的意义。 近百年来，大量研究人员在拟南芥、水稻、玉米和油菜等物种中，对杂种优势的成因在不同层面进行了详细论证，极大地丰富了我们对农作物杂种优势形成的认识。但这些研究往往基于单一遗传群体，对杂种优势的理解存在一定局限性：一、无法评估等位基因在不同背景下的效应，从而难以解释杂种优势的特殊配合力；二、两互作位点必须在群体中分离，从而可能低估非等位基因互作对杂种优势的贡献。 该研究团队前期以我国育种中常用的 24 个玉米骨干材料，穷十年之功，构建了一个玉米 人工合成群体 (CUBIC 群体) ，鉴定了超过1400万个单核苷酸多态性 (SNP) ，挖掘出约800个QTL影响23个玉米农艺性状 (Liu et al., Genome Biology, 2020) 。在此基础上，为系统解析玉米杂种优势，该团队创建了一个大规模F1群体，包含42,820个F1杂交种。其母本群为玉米 CUBIC 群体的1428 个自交系，涉及我国旅大红骨、四平头和自330优势群，其父本群为 30个具有国外血缘的优良自交系，涉及Lancaster、Reid和Tropical等多个优势群 (图1) 。 直接对所有42820个F1组合进行大规模田间表型试验，这对任何一个实验室几乎是不可能完成的任务。该研究的解决方案是，精心挑选~9000个 (20%) 有代表性的F1样本，在全国五个省市进行两年的表型试验，人工调查获得23个农艺性状的约250万个表型数据。利用450万全基因组变异和机器学习算法，搭建了一个基因型-表型的预测模型 (genome-to-phenotype, G2P) ，高效、低成本地预测出其它约34000个 (80%) F1 的表型值 (图1) 。 该研究的42820个F1杂交种本质上是30组半同胞 (half-sibling) F1群体，在每个半同胞 F1群体中，共享同一套母本群体基因组序列，因此同一位点在不同半同胞F1群体中分离模式一致。不同父本基因组引入，会导致不同QTL/基因效应被激活，从而产生性状不同程度的杂种优势 (图2) 。 该团队发现了一种全新的“基因互作”贡献杂种优势。如：ubi3基因是一个在母本群体中被Br2隐性抑制的位点，仅在母本群体中进行GWAS分析并不显著；通过杂交，父本在Br2位点补入一个显性变异，进而解除了抑制作用，从而在F1群体激活了ubi3基因的表达，从而形成株高的杂种优势 (图2) 。 综上所述，该研究通过半同胞 全基因组关系分析的策略，发现了一个“显性-互作”共调控模型对杂种优势形成具有重要贡献。通过基因组杂交，显性互补作用大范围地解除了基因组抑制性互作，激活了亲本中被抑制的主效位点的表达，从而在玉米F1上表现为杂种优势；不同骨干亲本具有特异性的解除能力，体现出杂交育种中特定组合选择的意义。研究还发现不同基因常常在发育的不同阶段起作用，其中从营养生长到生殖生长转换期间有大量基因表达并对杂种优势起作用，进一步解析鉴定到的这些基因的功能，将为从分子层面理解杂种优势提供契机。这套F1群体具有广泛的多样性，遗传背景清晰，能为玉米遗传育种提供优良的中间材料。基于这些基因组设计的杂交组合，多个预测的组合已经进入区试和释放阶段。 随着单倍体诱导育种、快速育种等技术的逐步成熟与普及，未来几年内育种家每年获得的自交系数量将呈指数型增长。依靠表型筛查的传统育种方式是无法完成如此数量级的杂交组合的田间测试。因此，如何实现基因组设计选系是现代育种流程中亟待解决的问题。以基因组选系为基础的分子设计育种是需要以育种大数据为支点，通过对育种数据的解析、优良基因及变异位点的挖掘，利用全基因组选择、机器学习等算法建立一系列育种决策模型，通过基因型预测杂交后代的产量、性状、抗性、品质、环境适应性等表型，辅助育种者制定每一育种周期内的杂交方案。 每个行业的革命性变革，都是由理论层面的突破所推动的。大数据的本质是由少到多、由多到精的一个“去伪存精”的过程，当大数据精炼到一定程度的小数据时，才是发现事物的内在规律、推动理论创新的原动力。尤其针对玉米这种以杂种优势为理论基础的作物，如果杂种优势、性状改良的分子机制在玉米育种中的利用规律被破解，将为玉米育种带来历史性的变革。通过数学模型决策杂种优势基因、性状改良基因的最优组合模式，同时利用基因编辑技术创制优异变异，即可实现育种材料的千里选一、万里选一，将极大降低育种成本、加速育种进程。 2017年5月，在安徽丰大种业公司的支持下，华中农业大学严建兵教授和清华大学鲁志教授团队联合发起我国首例玉米杂种优势预测挑战赛 (e-Maize Challenge) ，希望创造一种新的科研模式，通过科研众筹和互联网技术来推动科学进步 (图4) ！让科学研究变得更加有趣，更触手可及，同时学科更加交叉融合！挑战赛共吸引来自世界各地高等院校、公司等不同学科和领域的30多个代表队参加，经过半年的角逐，中国农业大学王向峰教授团队获得挑战赛冠军。该研究成果即是挑战赛后续的进一步科研合作产出。在此基础上，合作团队各方进一步深度合作，希望实现基础、应用和开发的有机融合，最终实现玉米基因组设计育种的开花结果。 图4 玉米杂种优势预测挑战赛 (e-Maize Challenge)主页 至此，玉米CUBIC群体已发表两篇重磅论文，从农艺性状自交系遗传基础 (Liu et al, Genome Biology, 2020) 到杂种优势机理解析 (Xiao et al, Genome Biology, 2021) 。 严建兵教授一直秉承合作共赢、团结协作的科研理念。目前，严建兵团队和国内多个高校科研院所合作，全方位开发CUBIC群体的价值，未来希望能够与全球学者持续开放共享，实现“各美其美、美人之美、美美与共”。 华中农业大学植物科学技术学院肖英杰 副教授、中国农业大学农学院博士后姜淑琴 、西北农林科技大学博士生程前 、北京市农林科学院王夏青 博士为论文共同第一作者。华中农业大学严建兵 教授、中国农业大学王向峰 教授和北京市农林科学院赵久然 研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，十三五重点研发计划，北京学者计划和作物遗传改良国家重点实验室开放课题等项目的资助。 严建兵 教授实验室 (http://www.maizego.org/ ) 长期从事玉米基因组学和数量遗传学的研究，构建了一系列遗传设计群体，系统解析了玉米关键品质和农艺性状的遗传学基础和调控机制，从基因组角度上首次提出“微效多基因的累加是人工选择高油玉米成因”的学术观点；创新方法组装了野生大刍草和热带玉米的高质量基因组，为复杂基因组研究提供了图谱资源；综合多种工具，克隆了多个有应用价值的功能基因，获批基因专利10余个，其中一个抗锈病的基因获批国际专利，授权多家国内外公司使用；首次开发了植物单细胞基因组、单细胞核和单细胞甲基化测序等一系列单细胞测序技术，并利用这些技术系统回答了雌雄配子重组、雄配子重编程和单倍体诱导机制等重要基础科学问题。在 Nat Genet，Nat Commun，Mol Plant，Plant Cell，Genome Biology 等主流期刊发表论文100余篇，总引用12000多次。并多次应邀在 Mol Plant，Annu Rev Plant Biol，Curr Opin Plant Biol，Genome Biol，Trends in Plant Science 等主流期刊撰写综述或观点文章。获日本国际青年农业科学家奖、杜邦青年教授奖、中国青年科技奖、国家科技发明二等奖等多个国内外奖项。 王向峰 教授实验室 (http://ibreeding.org/ ) 研究方向主要应用人工智能与机器学习技术开发玉米全基因组选择辅助育种模型、基因组优化设计育种模型，以及基因型与环境因子互作模型；玉米田间数据统计分析、育种信息管理系统，以及各种大数据驱动的育种智能决策模型；玉米多组学数据关联分析算法、大规模种质资源基因挖掘工具，以及各类生物信息工具；玉米杂种优势遗传互作机制、玉米基因组驯化，以及适应性机制等方面的研究。曾在 Plant Journal, Plant Cell, PNAS, Trends in Plant Sciences, Molecular Plant, Genomics, Proteomics & Bioinformatics 等国际知名期刊发表论文50余篇。 赵久然 研究员团队 （http://www.newcorn.com.cn/index.html） 主要从事玉米种质创新及新品种选育、玉米分子育种、玉米DNA指纹技术研究及应用等。创新了“X群/黄改群”新的杂优模式，选育并通过审定玉米新品种100多个，其中京科968获国家科技进步二等奖。创制选育的鲜食玉米品种京科糯2000成为我国面积最大的鲜食玉米主导品种，并已走出国门，播种越南等一带一路国家。构建了超过5万多个品种的全球数量最大的玉米标准DNA指纹库，制定了6项DNA指纹检测标准，引领和推进了玉米及其他多种作物分子检测的标准化进程。首次研究发布来源于中国的重要玉米骨干自交系黄早四的高质量基因组序列，揭示黄早四及其衍生系遗传改良历史；解析了玉米耐盐、抗倒伏、抗病的分子机制；利用分子标记辅助育种实现了多个主推品种雄性不育配套杂交制种。创新基因编辑技术，实现高效敲除与碱基编辑，大幅拓展植物基因组编辑范围。获国家及省部级科技奖励30多项、国家发明专利20多项、植物新品种权200多项，发表学术论文300多篇，其中在 Molecular Plant，Genome Biology，Plant Biotechnology Journal 等国际主流专业期刊发表SCI论文20多篇，编著专业书籍30余部。入选全国农业杰出科研人才创新团队、科技北京百名领军人才创新团队。 https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02370-7
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