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参透基因,育种走向“按图索骥”

时间 2018-08-16     

今年5月,在英国爱丁堡国际棉花基因组会议报告厅,河北农业大学副校长马峙英教授带领其科研团队应邀向参加会议的10多个国家的100多名专家,报告了棉花基因组变异和纤维性状遗传领域的重要研究成果。随后,国际顶级学术刊物《自然·遗传学》在线发表其有关研究长文。

据统计,我国已对包括水稻、小麦、玉米、大豆和棉花等重要农作物完成了基因组测序,并初步掌握了这些作物遗传基因的功能性状。为什么要研究农作物的基因?这与种子的培育有什么关联?基因组测序走在国际前列又意味着什么?马峙英就此进行了解答。

解密棉花基因组密码

陆地棉种质资源吐絮期调查,右二为马峙英。

棉花既是人们的衣着之源,又是关系国计民生的重要物资,在整个国民经济中占有十分重要的位置。目前,我国所产原棉95%来源于陆地棉。长期的自然选择和人工选育产生了大量的陆地棉种质资源,深入挖掘核心种质的基因组变异是一项重要的研究工作。

同时,随着人们需求的不断增加和纺织工艺的改进,对棉花纤维品质提出了更高的要求,深化对种质资源表型变异的分子基础研究和优异遗传变异位点发掘,可实现棉花品质、产量等重要性状的有效选择与改良提高。

马峙英团队联合中国农业科学院棉花研究所杜雄明团队等国内8个单位完成的科研项目历时6年,在国际上首次对来自中国、美国、澳大利亚等主要植棉国的419份陆地棉核心种质的基因组进行重测序,确定了一系列在长期自然选择和人工选育过程中形成的,与棉花纤维长度、强度、铃重、衣分等重要性状相关的基因组变异和遗传位点及其分布规律,为棉花重要性状定向育种提供了较为精准的标记和基因资源。

研究团队对419份陆地棉核心种质的基因组重测序平均深度达6.55倍,鉴定出3665030个SNP(单碱基多态性),发现群体遗传多样性高于已报道的陆地棉地方品种和现代改良品种,表明一些核心种质群体为育种提供了相对宽泛的遗传基础。

研究团队通过将现代品种与早期品种进行比较,发现核苷酸多样性降低了8.6%,提供了人工驯化选择导致棉花遗传多样性降低的直接分子证据。通过比较核心种质与陆地棉野生种系全基因组功能基因SNP变异,首次发现23876个基因无任何SNP变异,表明这些基因在长期驯化过程中高度保守,33899和6957个基因分别表现为SNP变异数减少和增加,暗示这些基因应在育种改良中予以重点关注。

“一个基因,即一个DNA片段,可理解为一串储存着生命孕育、生长、凋零的密码。”马峙英表示,在科学家可以破译并了解其之前,由其控制的生命信息被悄然复制、转录并表达,完成物质的合成和生命的接替。“如果你认为基因是全世界细胞中最小的单位,那就犯了一个常识性的错误。当我们把基因再进一步解剖就会发现,一个基因由N个单碱基对组成。SNP就是单碱基发生多种变化的一种状态,碱基对的种类和排序决定了植物性状的表现多样化。有意思的是,我们肉眼所能看到的植物高矮大小,以及品尝到的酸甜苦辣等,都由这些权威的信息者决定。”

马峙英研究团队2014至2015年在黄河流域、长江流域和西北内陆三大棉区的6个地点共12个环境进行品种种植,鉴定了纤维长度、强度、铃重、衣分等13个纤维品质和产量性状,获得了近20万个表型数据。基于3665030个SNP的全基因组关联分析,共鉴定出11026个与13个性状显著关联的SNP,首次发现与纤维品质关联的SNP数量远多于纤维产量SNP。明确了不同性状遗传位点分布的重点染色体。

纤维起始新基因、纤维长度新基因以及纤维强度新基因被逐一发现。马峙英研究团队还鉴定出5753个优异位点,发现在驯化过程中,所有性状优异位点频率显著增加。这一发现与驯化过程中提高纤维产量作为选择目标、现代育种中将纤维品质和产量同时作为改良目标相一致,反映了相关的分子进化。

“研究成果深化了对种质资源表型变异的分子基础研究和优异遗传变异位点发掘,可实现棉花品质、产量等重要性状的有效选择与改良提高。”从事科学研究30余年的马峙英表示,这一研究将很快应用于棉花育种,“常规棉花育种,现在需要多年田间种植和选择,将来根据SNP标记,直接在实验室就能进行精准选择,可显著提高育种效率和准确性。”

第三代育种时代已经到来

“种子是整个农业的基础。优良品种的种子是农作物生产发展的内因,灌溉、施肥、机械作业等都是外因。种子可能产生的增加值,对农作物增加值的贡献可以达到50%以上,是现代农业核心的竞争要素。”马峙英说,基因决定了农作物的产量、品质、是否抗病抗虫等,通过对各类农作物进行基因组测序,可以更加精确地指导农业育种。

近年来,在农业基因组测序领域,已有多个物种研究取得突破性进展,这将育种技术带入了前所未有的新高度,第三代育种时代已经到来。

根据作物性状进行育种,如传统杂交育种,为第一代育种技术。这种方法是根据性状进行直接选择。不过,受困于作物性状受环境的影响,此种选择方法是对基因的一种间接选择,效果低,有时无法“幸运”地选择到可控制优良性状的基因。因此,育成一个品种往往需要较长时间。

第二代技术为分子标记育种。人们逐渐认识到作物性状由染色体上某段DNA序列来决定。研究人员试图找到一些与性状紧密连锁的分子标记,在选育后代品种时对这些标记进行选择,最终实现对性状的定向选择。这种方法比第一代技术“靠谱”,但离精准“靶向”选择优良性状基因,尚有差距。

时下最为前沿的则是基因组育种。利用高通量测序技术对群体进行研究,可以定位控制作物的某个目标性状基因,并通过序列辅助筛选,选育出新品种。

不过,要想实现基因组育种,必须对作物进行基因组测序。有了基因组序列,就可开发大量分子标记,对重要农艺性状基因进行全方位鉴定。“打个比方,有了它,就等于你手中有了一张详细的基因位点地图。根据地图,我们就很容易、快速、精准地找出控制某个性状的目标基因,并鉴定出它的优异等位变异。”马峙英说。

马峙英拿自己最熟悉的棉花举例,棉花基因组测序的完成,可以为棉花功能基因组学研究提供重要的平台,其作用是“多功能”的。比如,可用于开发大量分子标记,加速重要农艺性状基因的遗传定位和高效系统地克隆棉花的重要功能基因,解析棉花高产、纤维品质、抗病性等重要性状的分子机制;基因组测序可揭示棉花不同种质资源的优异基因组成,为杂交育种的亲本选配与群体设计等提供理论基础;进行功能性分子标记的鉴定与开发,可进行基因型的直接选择,提高育种中选择的准确性和效率等。

可以预见,基因组学将在育种材料、理论与方法上取得重大进展,从而促进作物育种学这门古老科学取得重大突破,实现由经验到理论的质的飞跃,建立起基于基因组学理论的育种技术。

近年来,在重测序的基础上,部分作物已经开发了高通量的SNP芯片。SNP是继第一代RFLP分子标记与第二代SSR标记之后的第三代分子标记,具有数量多、效率高的特点。SNP芯片既可用于新基因发掘、多样性检测、单倍型图谱绘制,也可直接用于基因组选择育种。

目前,水稻、玉米、小麦等作物已经研制出了基因组育种SNP芯片。随着越来越多的育种目标基因的发现与育种规律的揭示,未来的基因组育种将对作物改良产生巨大的甚至是革命性的推动作用。

基因组育种迥异于转基因

马峙英团队在棉花基因组变异和纤维性状遗传领域取得重要研究成果,5月8日在国际顶级学术刊物《自然·遗传学》在线发表,图为文中配图,展示了棉花不同性状与染色体、基因和SNP之间关系。

提到基因组育种,很多人想到转基因,两者同属于现代生物技术领域,却有着显著区别。转基因是人为将一种生物的一个或几个已知功能基因转移到另一种生物体内安家落户,以改良后者的性状。基因组育种则是基于基因组学,解码每个基因信息,从而更加精准地进行育种,比传统育种更有科学性。

马峙英表示,随着多个重要农作物和一些模式植物全基因组测序的完成和高通量重测序技术的普及,为作物种质资源研究提供了跨越式发展的机遇。如何把基因组学理论、方法及其成果与作物种质资源研究的各个环节有机结合起来,更加高效地利用种质资源,已成为世界相关研究者的重点任务。

马峙英认为,尽管我国在种质资源表型精准鉴定和全基因组水平的基因型鉴定方面开展了部分工作,但涉及的作物种类及其资源数量极为有限,对库存种质资源的遗传多样性缺乏系统和深入研究,很难为育种家和基础理论研究者提供针对性的资源。因此,一方面,应针对未来育种需求的重要性状,开展多年多点的或控制环境条件下的表型鉴定评价;另一方面,应充分利用高通量的测序技术和SNP芯片技术,在全基因组学水平对我国的作物种质资源进行系统的基因型鉴定,并在此基础上,开展遗传多样性和群体结构等分析,全面了解我国的种质资源自然遗传变异“家底”。

“表型组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、表观组学等应有机结合起来,用系统生物学的思路和方法,开展种质资源的变异组学研究。”马峙英认为,只要阐明控制重要性状的遗传和分子基础,挖掘有利等位基因并得到应用,就能提高种质资源保护的安全性和利用的高效性。

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