Nature | 十年深耕！基因组所程时锋团队解码全球小麦种质多样&lt;span class=&quot;o

行业来源：今日热点网时间：2024-08-21 19:00:03

预计未来30年世界人口将增加20亿，小麦作为热量、蛋白质、矿物质和纤维的重要来源，对小麦产量的需求将增加。受到气候变化和地缘政治不稳定的影响满足需求的能力也受到挑战。使这些挑战更加复杂的是，现代品种遗传多样性的缩小导致小麦产量的增长已经放缓。

同时由于缺乏遗传资源和适当的表型数据集，用于鉴定在地方品种中存在但在现代品种中不存在的等位基因。这导致在现代育种中很少使用地方品种多样性。因此，尽管有潜力开发更有弹性和营养的作物，但地方品种价值的全部程度受到发现和部署地方品种多样性所需的足够基因组、遗传和表型资源的限制，这限制了它们在育种中的利用。

2024年6月17日，Nature在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所程时锋研究员团队联合英国约翰·英纳斯中心(John Innes Centre)等国内外多家优势单位题为“Harnessing Landrace Diversity Empowers Wheat Breeding”的研究成果。

研究结论

1.827个Watkins地方品种和208个现代品种全基因组重测序，将Watkins划分为7个祖先群，现代小麦的创始系分别起源于西欧和中欧的AG2和AG5，其他5个祖先群可以为小麦育种提供丰富的资源；

2.基于基因组信息分析，地方品种可以为传统育种中顾此失彼的策略提供一种更好策略，在保证某个性状的前提下利用基因多样性筛选到对该性状具有正向或中性作用的基因。例如在提高产量的基础上也保证株高不受到影响等；

研究结果

1.Watkins地区未开发的多样性

为了确定Watkins的新遗传变异，对827个地方品种（地方品种的收集点代表了20世纪20年代世界上所有主要的小麦产区）进行全基因组重测序。结果可以将Watkins划分为7个祖先群，指定为AG1至AG7(图1a、b)。为了探索现代小麦与祖先群体之间的关系，选择了208个独立的小麦品种以及15个先前描述的品种（来自25个国家的1169个品种进行基因分型）进行全基因组测序。将Watkins和现代小麦结合在一起共发现了大约2.62亿个高质量的单核苷酸多态性(SNPs)。

现代小麦的SNP组成与分别起源于西欧和中欧的AG2和AG5(图1b)有很大重叠，这表明这些祖先群体提供了现代小麦的创始系。Watkins含有现代小麦中不存在的变体，独有的1.62亿个SNP(62%)， 970万个插入或缺失(57%)和57,000个拷贝数变异(CNVs, 53%)。这些基因主要由5个祖先群体(AG1, AG3, AG4, AG6和AG7)携带(图1c)，与现代小麦几乎没有重叠。这些数据表明，这5个系统发育上孤立的祖先群体具有高度的多样性，为小麦育种提供了一个以前未开发的多样性宝库。

为了进一步探索现代小麦的地方品种起源，使用远程单倍型来可视化其基因组中状态(IBS)区域的身份镶嵌(图1d)。平均而言，在着丝粒区域，IBS片段在159.78 Mb的长度上保持完整，它们在远端区域较短。只要有26个Watkins加入就可以作为IBS片段的虚拟捐赠者进行建模，以重建50%以上的现代小麦基因组。

为了定位现代小麦中缺失的变异，使用基于连锁不平衡(LD)的单倍型分析共鉴定出71,282个单倍体，将这些单倍体与现代小麦的IBS染色体图谱进行了比对，揭示了染色体片段新排列的潜力，用Watkins独特的单倍型丰富了小麦种质资源当前的IBS结构(图1e)。然而，除了在Watkins中发现的独特变异外，在现代小麦中发现了2.5%的独特单倍型变异，其中一些是在现代小麦的AG2/5地方品种基础之后，由育种者(例如1BL/1RS15, RHT116和Pch117)产生的小麦野生近缘基因的渗透(图1e)。

为了评估Watkins独特的多样性对性状影响的潜力，研究了基因内部或周围发生的变异。在Watkins特有的SNPs中，有325,915个影响基因功能。其中特别值得注意的是，在现代小麦的13902个单态基因中发现了沃特金斯特有的SNPs(由SnpEff18注释)，这意味着在精英小麦系谱中不存在变异来改善与这些基因相关的性状。根据ontology term分析，这些基因控制着多种生物过程，可以影响重要的农艺性状，如产量、耐受性、营养质量和抗病性。

图1.Watkins地方品种与现代小麦的基因组变异比较

2.表型使地方品种单倍型增值

使用827份Watkins的表型数据集，以及73个“Paragon”× Watkins重组自交系(RIL)群体7(图2a)，得到了6,762个RIL，对其进行了大规模的田间表型分析和全基因组代入。总共记录了137个性状的表型数据，涵盖了粮食产量、营养品质、适应性、非生物和生物抗逆性等主要类别(图2b)。这些广泛的在10年多的时间里，在10个环境中进行了实地试验，产生了71.7万多个观测值和数据点(图2c、d)。

将定位群体与基于序列的单倍型相结合，NAM-GWAS捕获历史和RIL群体重组，以及来自自然群体的常见等位基因和分离群体中频率放大的罕见有用等位基因，在单倍型分辨率上计算了强大的QTL效应，并确定了Watkins地方小麦和现代小麦之间有用的QTL等位基因的分布(图2e,f)。总共鉴定出8253个遗传效应(3280个QTL, 1428个GWAS和3545个NAM-GWAS标记-性状关联)。根据等位基因效应的方向，有1696个品种具有改良Paragon等现代品种的潜力，其中有36%(613个)的相关SNP被定位在现代小麦中不存在的单倍型中(图2)。

尽管与NAM和GWAS相比遗传分辨率降低，但使用单双亲本群体对于检测非常罕见的Watkins单倍型的QTL是必不可少的。例如，只有33种Watkins品种表现出对条纹锈病Puccinia striiformis抗性(图2e)。多个结果突出了利用确定的大量遗传效应来帮助传递具有农艺价值的新性状的潜力。

图2.Watkins有用性状的遗传解剖

为了阐明这些等位基因在小麦育种改良中的潜在作用，开发了近等基因系(NILs)来测试这些性状关系(例如粒重与粒数或籽粒产量与籽粒蛋白质含量)在个体QTL效应中的维持程度(图2g)。每个位点-性状组合后发现了这些主要拮抗关系的外显率范围，其中一个性状的几个正效应QTL对另一个性状是中性的或正的，推翻了普遍的关系，为现代小麦的创始育种者提供了一种选择途径(图2)。

这种对权衡的理解为育种提供了一种策略，以恢复在现代育种中由于一对性状之一的优先选择压力而丢失的有益表型。例如，育种降低作物高度以避免倒伏，并通过收获指数提高产量是自20世纪初以来的一个连续过程。最终在20世纪60年代培育出了RHT1半矮秆绿色革命小麦品种，其特点是矮小，收获指数和产量高(图3a)。然而，这种高度降低和收获指数增加的耦合可能是以牺牲作物生物量为代价的，生物量与高度呈正相关。认识到生物量作为粮食产量生理组成部分的重要性，基于以上的分析可以寻找在保持或提高产量的同时增加高度/生物量的Watkins等位基因。在鉴定的291个与株高有关的QTL中，187个降低株高的QTL来自Paragon品种(图3b)，反映了该性状在现代品种中的选择历史及其多基因特性。在7BL染色体臂上选择了一个与其他增高QTL等位基因不同的增高Watkins单倍型，该基因对收获指数没有不利影响。与染色体臂7BL靶区相对应的局部LD区包含连续的单倍型，这些单倍型在现代小麦中要么不存在，要么很少出现(图3c,d)。与育种公司一起在NILs中进行多位点试验，确定这些单倍型与身高增加9.37 cm (P = 0.002)和粮食产量相关，与Paragon相比增加了0.39吨 ha - 1 (P < 0.002)(图3e)。

通过增加株高和生物量来提高产量可能会增加倒伏的风险。因此利用Watkins资源扩大了替代非rht1半矮化基因的可及性，这些基因可以降低植株的高度，但不会降低产量。研究筛选到新的RHT8为育种者提供了精确的遗传工具来控制植物高度，而不会对产量产生负多效效应，特别是在地中海环境中。通过整合这些结果，不仅发现了小麦育种早期遗留的等位基因效应的现代应用，而且还完善了对既定遗传效应的理解。

图3.恢复绿色革命留下的有用多样性

3.地方品种变异在育种中的应用

为量化和加速Watkins多样性对未来育种工作的影响开发了新的育种工具，并系统地将潜在有益的Watkins QTL等位基因引入Paragon现代小麦遗传背景。这是通过Paragon与携带目标Watkins等位基因的选定Paragon × Watkins RILs的两次回交来完成的，结果超过87.5%的等基因家族使用纯合兄弟姐妹群体(每个等位基因2-3个系)来估计Watkins等位基因效应。通过这种方法成功导入了127个优先的QTL等位基因，共738个NILs，并利用这些NILs量化了Watkins等位基因在Paragon统一现代遗传背景下的育种价值。在这127个优先定位的QTL靶点中，有107个来自AG1、AG3、AG4、AG6和AG7(图1c和4a)。对于每条染色体，AG2/5以外的祖先群体多样性明显增强(图4b)，相关的等位基因效应有望用于小麦改良(图4c)。渗入片段包括44,338个Watkins特有的基于LD的单倍型，弥合了地方品种多样性和现代育种之间的差距(图4d)。

为了评估这些基因渗入所带来的表型价值，对等基因家族进行了广泛的实地评估。在重复的田间试验中，在足够大的地块(6平方米)种植的品系进行了农业上实际的产量评估。在等基因的Paragon背景下，通过比较Watkins和Paragon的等位基因效应，发现抽穗日期的变化范围从提前6天到推迟2天，高度效应从减少5厘米到增加13厘米不等，考虑到统计上显著的个体等位基因效应，产量增加高达0.91 t / ha - 1。本研究中的等位基因育种优先级考虑了偏离性状拮抗的因素(图2)，五种单倍型可以显著增加谷物蛋白质(制作面包的重要品质性状)，其中三种单倍型对谷物产量没有负面影响。考虑到谷物产量和蛋白质含量之间经常观察到的负相关关系，这些知识极大地增加了这些单倍型作为育种目标的吸引力。因此，本研究为育种中Watkins等位基因的选择提供了关键资源，可以将主要目标性状与其多效效应结合起来考虑。