种质资源学与基因组学相结合-破解基因发掘与育种利用的难题

分享来自张学勇老师的一篇综述。

遗传多样性是一个物种在自然界生存的基础，也是作物遗传改良的基石。经过近100年的考察、收集、评价、编目、入库，全球收集种质资源约740万份，存放在1750个种质库中；我国收集各类作物种质资源总量达50万份。丰富的资源一方面为作物改良奠定了基础，另一方面也带来了困扰，即如何进行有效利用。全球科学家对此进行了长期的思考与探索，提出通过建立核心种质提高种质资源的管理和利用效率，我国也启动了主要农作物“核心种质”的重点基础研究项目，对各大作物遗传多样性的认识和浓缩起到了积极地推动作用。如何将建立的核心种质有效融入到育种和基因组学研究，并发现育种急需的关键基因，成为过去10年及未来很长一段时间作物种质资源学研究的核心问题之一，也是实现学科融合与发展的关键所在。在国家重点基础研究发展计划（973项目）和十三五国家重点研发计划七大农作物育种试点专项和中国农科院基本科研业务费项目的支持下，对此进行了20余年的思考和探索，本研究既是对过去一些实践的总结，也是对未来工作的思考。

建立核心种质、浓缩遗传变异：突破巨量种质资源对研究人员财力、物力和心理的压力

“核心种质”一词最早由澳大利亚的科学家Frankel和Brown提出，是在应对大量作物种质资源收集样本的整理、繁殖、储存、发放和应用难题中提出的，即如何利用最小的样本数代表最大的遗传多样性，以实现便于管理、便于应用、便于研究的目的，一般认为其总量不应超过基础种质的10%。核心种质的建立主要依据作物种质资源的总收集量（份数）、来源地、产生或形成的方式（地方品种、引进品种、育成品种）、主要编目性状等。常用的取样方法主要包括简单按比例取样（资源地区分布比较均衡）、平方根法、对数法（资源地区分布不均衡），入选样本应考虑代表性和优先性，对育种或生产做出突出贡献的品种、品系优先入选。

2000年以前，世界范围内建立的核心种质主要依靠田间表型数据，如植株高矮、叶片大小、成熟期、抗病表现、籽粒或果实大小、颜色等，因不同的国家、地区关注或感兴趣的性状不尽相同，收集数据的一致性、可比性和兼容性存在比较大的困难，因此只在一些小宗作物或资源数量不是太多的作物中尝试建立核心种质，并未引起广泛关注。20世纪90年代，DNA分子标记技术的迅速发展和应用，推动了大作物（如小麦、水稻、玉米、大豆）核心种质建立技术和方法的探索，以样品的DNA分子指纹数据为基础，通过聚类分析，筛选具有更高代表性的样品入选核心种质，受到学术界的广泛接受。

我国在973项目支持下，以表型数据为基础，DNA分子标记为主导，于2003年在全球率先建立了水稻、小麦、大豆三大作物的核心种质，分别用5%的核心样品（水稻：3100份，小麦：1160份，大豆：1400份）囊括了基础样品（水稻61500份，小麦23100份，大豆28800份）约90%的遗传变异，达到浓缩遗传变异，明确多样性地理分布特点，实现方便管理、研究与应用，在此基础上压缩形成的微核心种质（Mini core collection），已成为我国三大作物深入研究的重要材料平台，为其他作物建立核心种质起到了很好的引领作用，推动了全国乃至全球的作物种质资源研究。

核心种质因浓缩了大量的自然和人工（育种）变异和重组，逐步成为通过GWAS方法发现重要基因的材料平台。但不可否认，以此为基础所获得的信息（强关联信号）大多是主效基因，对基础生物研究很重要，但对育种价值有待商榷，因为在早期的驯化和育种中对这些基因的选择已基本完成，甚至在一些生态区域内的品种或资源中发生固定现象（Fixed）。如何发掘潜在的中等作用基因，客观评价其效应，开发有效标记并应用于育种，是应用基因组学研究的重要内容。国内外提出通过构建多亲本遗传群体，如巢式关联作图群体（NAM）、高世代回交-巢式关联作图群体（AB-NAM）、多亲本高级世代互交群体（MAGIC）和基于双列杂交且包含育种选择的多亲本高世代自交群体（CUBIC）来解决上述难题。

以模式品种参考基因组为基础，通过核心种质重测序和高密度SNP芯片分析，规模化发掘重要基因

果实大小是作物驯化和品种改良的重要性状之一，也是作物产量三要素中遗传力最强的性状。早期对果实（籽粒）大小的研究主要通过双亲群体的QTL精细作图，克隆候选基因，进而通过转基因及基因干扰等技术获得关键基因，我国及日本科学家对水稻的籽粒大小进行了比较系统地研究，并推动了小麦、玉米等作物产量基因的研究。

对一些育种选择的重要基因，通过基因单倍型在育成品种和地方品种中的分布比较，就可对一个基因的主要功能做出初步判断，再通过全球育成品种的比较分析，即可更进一步验证判断的准确性，为基因功能的分子解析提供基本的理论支撑。从下图中可以清晰的看出，小麦VRN-5A基因与品种的耐寒性密切相关，单倍型Hap3作为春化对低温需求比较强的类型，主要分布在我国和全球冬季比较寒冷的冬麦品种中，而在澳大利亚和中南美品种中则以Hap8为主。

以当家品种为受体、核心种质为供体，构建新的人工群体，促进库存资源在基因组学研究和育种中的应用

在建立小麦核心种质的基础上，中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源挖掘与利用创新团队以生产上正在大面积推广应用的周麦18、郑麦366、邯郸6172为受体，核心种质为供体，通过杂交、回交，在早期分离世代适度的选择，并在亚群间进行优良选系的互交，以实现三大亲本优良区段及来自核心种质优良区段和基因的充分整合，建立了一套综合NAM和MAGIC群体优点，与育种研究相衔接的小麦回交-互交-巢式关联作图群体（AB-NAMIC）群体，并对其进行了多年的表型鉴定，发现AB-NAMIC群体的产量相关性状明显提高，生育期性状明显缩短。

与自然群体相比，AB-NAMIC群体显著提高了GWAS发掘基因的效率。

并从中选育出中麦66、中优69、中优88、中麦110等优良品种（系），为种质资源的有效利用探索出一条比较高效的途径。

稀有等位变异（重要基因）的发现和利用是育种取得突破的关键，但这些基因往往不是一个物种生存所必须的，甚至是不利的，很容易在作物驯化和育种的长河中被“遗失”。作物泛基因组分析发现，玉米自交系共同拥有的核心基因组（Core genome）只占62%，38%的序列则是非必须的（Dispensable genome），这些非必须序列和基因在品种间以存在/缺失变异（PAV，presence/absence variation）为主，类似的大量变异也广泛存在于水稻、小麦、大豆、大麦］、向日葵等作物的不同品种中。因此，用任何单一品种的基因组作为参考基因组进行新基因发掘，都不可避免地遗落了一些基因，甚至大的基因组片段。为了更全面、更有效地发掘重要基因，我国有必要整合和构建包含国际公认的模式品种、代表性地方品种及现代品种、甚至野生种的泛基因组，作为基因发掘的新参考基因组，发掘有重要的育种价值的基因，服务于育种。

对作物育种和种质资源研究而言，泛基因组是继模式品种基因组完成后，基因组学与育种研究深度融合的必然，也是在新的层面深度解析遗传多样性形成和品种演变的必要支撑，是未来10年应用基因组学和种质资源学的前沿热点。迄今为止已完成了超过40多项植物泛基因组的研究。

基因编辑与基因发掘相结合，实现性状之定向突变和修饰

基因编辑是对生物基因组进行靶向修饰的一项新型生物技术，可以实现对目标基因的定点敲除、基因片段置换以及基因定点插入等基因定向编辑。基因编辑技术的开发及应用使得生物体的遗传改造达到前所未有的深度与广度，将在大基因组作物基因的功能解析中发挥重要作用。目前基因编辑技术已与作物基因发掘相结合，在作物基因功能解析和遗传改良研究中得到广泛应用。中科院遗传与发育生物学研究所储成才研究组对全球110份早期水稻农家种进行了全面的农艺性状鉴定，发现不同氮肥条件下，水稻分蘖（分枝）氮响应能力与氮肥利用效率变异间存在高度关联。研究组利用全基因组关联分析技术鉴定到一个水稻氮高效基因OsTCP19，其作为转录因子调控水稻分蘖。进一步研究发现，OsTCP19上游调控区一个小片段（29 bp）的缺失与否是不同水稻品种分蘖氮响应差异的主要原因，在氮高效品种中OsTCP19调控区缺失该29 bp核酸序列，通过基因编辑技术对OsTCP19调控区该29 bp核酸序列进行靶向敲除，实现了水稻品种分蘖氮响应能力的提升，进而提高氮素利用效率。此外，中科院遗传与发育生物学研究所李家洋团队通过组装异源四倍体高秆野生稻（Oryza alta）基因组，优化遗传转化体系，应用基因组编辑技术，使其落粒性、芒性、株型、籽粒大小及抽穗期等决定作物驯化成功与否的重要性状发生改变，实现了异源四倍体高秆野生稻的从头定向驯化，为创制新作物提供了可能。

中国农业科学院作物科学研究所夏兰琴和马有志团队利用CRISPR/Cas9介导的多基因编辑技术，以穗发芽抗性相关（TaQsd1）、氮吸收利用（TaARE1）、株型（TaNPT1、TaIPA1）、支链淀粉合成（TaSBEⅡa）和磷转运（TaSPDT） 6个基因作为靶基因，在冬小麦品种郑麦7698中实现了同时靶向2个、3个、4个和5个基因的定点敲除编辑，一代实现了多个优异等位基因聚合，并通过胚拯救和分离后代筛选，成功创制了无转基因、聚合多个优异等位基因的小麦新种质，为小麦和其他多倍体农作物开展多基因聚合育种提供了重要的技术支撑。

以重大品种基因组为参考，实现基因组、基因的设计和组装育种

优良基因组架构是重要育种亲本形成的基础，一些重大有影响力的品种，其基因组组成的独特性应是未来十年作物基因组学研究的重点。可在更深层次揭示骨干亲本、杂种优势群、一般配合力、特殊配合力等形成的基因组学和遗传学基础，推动种质资源和育种研究迈上一个新台阶。

作物泛基因组研究揭示了同一物种不同品种基因组间存在的巨大差异，使我们意识到骨干亲本间基因组结构上可能存在的差异，这些差异不是永恒的，会随着品种间的杂交、育种家的选择发生变化和调整，即骨干亲本不是永恒的，新的骨干亲本可能拥有上一代骨干亲本不具备的特性，因此一定是与时俱进的。因此，研究一些最新骨干亲本基因组组成特点，在此基础上实现重要区段的替换（Haplotype-based breeding）、优良基因的整合应是基因组学时代种质资源创新和育种的重要内容；而重要区段优良单倍型的发现和标记与快速育种技术的结合，将加快新品种选育的速度，在较短周期内创制一批突破性新材料。

张学勇,郝晨阳,焦成智等.种质资源学与基因组学相结合-破解基因发掘与育种利用的难题[J].植物遗传资源学报,2023,24(01):11-21.