|
我是“麦行天下”组成员崔法，来自鲁东大学农学院，今天由我代表小组值日。我组成员还有杨海川、 张海军、 宋建喜、张震、董普辉、马小飞、梁文化、阎俊、陈三乐、刘秉华、李兴茂、孙连发、杨茂胜、汤鑫、魏亦勤、黄彦宗、刘勇、赵永英、李义文老师 杨海川老师是我们的组长。一年时间转瞬即逝，2022年4月份与各位老师分享的题目是“小麦数量遗传学及分子育种应用的一点思考”，今天想从分子育种靶点角度再谈对小麦分子育种的一点所思所想，不妥之处，敬请各位同仁批评指正。
一、分子育种的核心是找到精准靶点
记得一麦众承第7小组（风吹麦浪）的关攀锋博士曾分享过“小麦分子标记辅助选择的一些理解”，对分子标记辅助育种在小麦中的应用前提、现状及存在的问题进行了系统阐述，很系统，也很全面。博文中提到，目前大部分标记都是与基因/QTL连锁的分子标记，与目的基因还有一定的距离，易发生交换重组，在育种上好用的基因功能标记还较少。小麦有十万多个基因，难道分子育种需要等到所有基因功能及调控网络全部解析清楚再进行应用？显而易见，这等不得，也等不起。
小麦是异源六倍体，基因组庞大，且结构复杂，基因精准鉴定与克隆研究需要一个漫长的过程。如何能够快速明确控制关键性状基因染色体区段，并获得其紧密连锁的分子标记？这是遗传学和分子育种科研工作者共同关注和需要解决的科学问题。对已有作物数量遗传学、分子生物学结果进行系统总结，通过meta-QTL等统计方法获得控制关键性状染色体热点重叠区段，可快速锁定分子育种关键靶点，为全基因组选择育种分子标记探针选择提供关键信息，为关键基因挖掘、分子标记开发提供依据。近年来，一系列小麦产量、品质、抗性等性状meta-QTL文章相继被报道。
组内有不少资深育种家，对数量遗传学这些分析原理不是很了解，或不想深入了解，但我还是想用通俗易懂的语言给各位专家解释一下。其实所谓的meta-QTL分析，或者QTL元分析，就是基于不同作图群体、不同表型和基因型数据，对控制作物相关性状的关键基因染色体区段进行了预估。每篇QTL/基因位置相关的报道，可能仅仅基于一套或少数几套作图群体的遗传连锁分析或GWAS分析，预估了控制相关性状基因在小麦染色体区段分布的可能位置，一般是相对较大的染色体区段，在未完成基因克隆之前很难确定其具体的候选基因和位置信息。目前存在诸多对同一性状，利用不同遗传作图群体、不同基因型和表型数据进行的QTL定位报道。Meta-QTL分析就是将前人报道的控制某一性状的QTL染色体区段的分布特征进行系统梳理，如果多篇文献在相邻或相近区段均有相关QTL的报道，其重叠区间一般是控制这一性状基因分布概率最大的位置，相关染色体区段也应该是分子育种和基因克隆重点关注的区段。综上，meta-QTL分析是分子育种精准靶点锁定的有效方法之一。
二、目前已有meta-QTL报道重要基因区段分布规律不完全一致
已报道的关键QTL位点一般是在目前种质资源和育成品种中存在丰富变异的位点；也就是因为这些位点存在较多的变异类型，才可能在不同作图群体中被反复检测到其信号。这就意味着，不管控制相关性状的基因位点数有多少个，这些经验位点基本可解释当前育种材料绝大部分的表型变异，基于这些数据开展全基因组选择育种是有效的。既然如此，对前人数据进行系统梳理分析，估测关键区段遗传效应并开展全基因组选择，即可实现分子育种新的突破，育种效率也可得以显著提高。伴随小麦基因组学多组学数据相继公开，小麦meta-QTL报道陆续被刊出，也不乏同一相关性状的“重复”报道。请各位同仁注意，“重复”二字加引号。
以小麦粒型、粒重meta-QTL结果为例，我们对近3年来Cao等（2020）、Yang等（2021）和Saini等（2022）报道的千粒重meta-QTL（红色）和Saini等（2022）报道的粒型meta-QTL（绿色）基因组分布特征进行综合比较分析，3篇粒型粒重meta-QTL位置并不完全一致，且部分区间较大，尚不能满足分子育种应用的基本要求（图1）。究其原因，不同计算方法和低质量整合图谱信息是导致meta-QTL不一致的根本原因（图2）。构建超高密度一致性整合图谱，对已报道QTL信息进行多模型重复系统梳理，可进一步加深对相关性状遗传基础的理解和全面认知，进而准确捕获关键性状改良的分子靶点。团队目前正在围绕小麦超高密度一致性整合图谱构建及产量性状位点系统梳理开展相关研究，后续会陆续与各位分享相关结果。
注：自下而上4组染色体的分别表示Cao等（2020）、Yang等（2021）和Saini等（2022）报道的千粒重meta-QTL（红色）和Saini等（2022）报道的粒型meta-QTL（绿色）基因组分布；每组第4条染色体（最上方）标注已图位/同源克隆粒型粒重相关基因（红色斜体加粗）；位置参考中国春IWGSC Refseq v1.0。
三、重要高产分子模块存在育种选择信号
关键区段位置信息及遗传效应一旦明确后，这些区段在实际育种中的选择效应如何？这也是育种家所关注的焦点之一。育种家关注的是最终表现型；而从遗传角度看，基因决定性状，选择优异表型就意味着是固定携带控制相关性状优异等位基因的染色体区段。含有优异QTL的染色体区段是否在育种历史中存在选择痕迹？这些区段是否被育种家曾经或正在强烈选择过？上述问题的回答是说服育种家相信分子育种靶点、实施分子育种的有力证据。下面以本团队前期研究的两个案例进行阐述：
案例1：团队利用科农9204与京411构建的KJ-RIL群体进行了多环境表型鉴定及QTL分析。对检测到的16个控制产量性状稳定主效QTL的12个区段进行分析，解析其在科农9204衍生后代中的选择效应。结果表明，12个优异区段在科农9204衍生后代中的传递率为52.4–100.0%；其中9个（75%）优异区段的传递率在90.0%以上。此外，我们在1B染色体检测到一控制粒长、粒重的主效稳定QTL，其优异等位基因来自京411，即科农9204在该位点为非优异等位基因；团队已经完成该QTL的精细作图，同时对该区段在科农9204衍生后代的育种选择效应进行分析。结果显示，该区段已经被携带与京411相同优异等位基因染色体区段所替代，替代比例为80%以上。
注：a、基于KJ-RIL群体检测到的16个多环境稳定小麦高产QTL（红色区段代表优异等位基因染色体区段）及其育种选择效应（b）；c、小麦粒重非优异QTL区段关键位点替代效应，即对应位点染色体区段被优异亲本替换的比例分布图，其中粉红色区段为相关粒重QTL精细定位的区间。
案例2：鲁麦14为白蚰包衍生后代，在育种亲本中被广泛应用，已成为重要小麦骨干亲本，衍生了200多个小麦新品种（图4）。团队基于55K小麦SNP基因型数据，解析了鲁麦14对其衍生品种（系）的遗传贡献。结果显示，鲁麦14对其衍生后代的遗传贡献率变幅为69.65–77.54%。共获得430个鲁麦14高频率共同选择遗传区段，其总长度为1186.43 Mb，占小麦全基因组的8.32%（图5A）。与已报道QTL信息进行比较，发现高频率共同选择遗传区段存在产量相关性状QTL，暗示鲁麦14在这些区段含有高产相关基因。
基于244份自然群体产量性状相关数据，解析鲁麦14高频率共同选择区段遗传效应，共检测到控制千粒重、单株穗数、穗粒数和单株产量显著性SNP位点数分别为1568个、1432个、1529个和1537个，其中鲁麦14基因型显示增效的SNP位点占比分别为92.3%、42.7%、30.7%和84.4%（图5B）。上述结果暗示，鲁麦14聚合了千粒重和单株产量优异等位基因。基于鲁麦14基因型为参照，进一步在全基因组水平分析鲁麦14等位基因对产量性状的影响。结果显示，91.03%、35.14%、13.39%和67.65%的鲁麦14等位基因型显示增加千粒重、单株穗数、穗粒数和单株产量（图5C）。上述结果进一步暗示鲁麦14聚合了较多的千粒重和单株产量优异等位基因，且在育种中被优先选择利用。
注：A、烟农系列高频率共同选择遗传区段已报道产量相关QTL分布情况分析；B、基于自然群体骨干亲本鲁麦14高频率选择区段(位点)产量性状遗传效应解析；C、基于自然群体鲁麦14（a）和烟农1212（b）基因型在产量性状上增效位点占比。
四、小结
分子育种的关键是找到可靠靶点，进而有的放矢开展分子育种工作。目前已有诸多相关QTL位点整合梳理的信息，但是由于各种因素的限制和影响，其靶点的可靠性还不够，相关信息有待进一步完善。育种家不仅仅是艺术家，更是科学家、遗传学家，他们是智者，他们在育种过程中已经把相关优异基因染色体区段固定下来，并进行了有效聚合和应用。如何从育种历史中挖掘其关键遗传信息，并服务于现在的分子育种，是遗传学和分子育种科研工作者急需开展的研究工作。
感谢在育种道路上给予支持鼓励的各位专家及同仁们；感谢“一麦众承”这个相互交流互帮互助的大家庭，学习交流收获良多。
鉴于才学疏浅，文章疏漏，不足之处，敬请批评指正。谢谢！
2023.5.4
鲁东大学农学院麦类分子育种创新团队简介
鲁东大学农学院麦类分子育种创新团队2019年获山东省高等学校“青创科技计划”支持，为省级优秀青年科研创新团队，主要从事小麦产量相关性状数量遗传学、表观遗传学及分子育种相关研究。团队现有专任教师6人，其他5位骨干成员分别为赵彦宏教授、吴永振教授、赵春华副教授、孙晗副教授和秦冉博士。目前承担国家、省部级项目近20项，累计在Molecular Plant、Nature Communication、New Phytologist、the Plant Journal、Theoretical and Applied Genetics等顶级期刊发表学术论文90余篇，授权发明专利10项，审定小麦新品种6个。获山东省高等学校科学技术奖一等奖、三等奖各1项，烟台农业科技奖一等奖1项。
鲁东大学麦类分子育种创新团队感谢各位专家、同仁长期以来的支持和鼓励，欢迎大家来烟指导工作，共商合作事宜！
|
