北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所在新型分子標(biāo)記研究方面取得新進(jìn)展

　　近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所在Plant Communications期刊發(fā)表了題為“HTPdb forbid HTPtools: Exploiting maize haplotype-tag polymorphisms for germplasm resource analyses forbid genomics-informed breeding”的文章。

 

　　該研究結(jié)合種質(zhì)資源分析及輔助育種等不同類型的檢測需求與當(dāng)前分子標(biāo)記檢測的技術(shù)瓶頸，開發(fā)了新型單倍型標(biāo)簽多態(tài)性標(biāo)記（HTP, haplotype-tag polymorphisms），建立全基因組首尾無縫銜接區(qū)塊狀標(biāo)記（單倍型標(biāo)簽）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從單標(biāo)記到復(fù)合標(biāo)記，點(diǎn)標(biāo)記到區(qū)塊標(biāo)記的技術(shù)升級。

 

　　四十年來，分子檢測技術(shù)與相關(guān)檢測設(shè)備不停地更新?lián)Q代，分析策略也隨著不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷改進(jìn)。傳統(tǒng)分子標(biāo)記在成本及多態(tài)性等多方面綜合考慮下，一直沿用點(diǎn)標(biāo)記的分析思路，例如少量SSR，SNP及InDel標(biāo)記在品種鑒別及背景選擇的應(yīng)用。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所分子檢測團(tuán)隊(duì)長期致力于分子檢測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究，經(jīng)過多年探索與實(shí)踐，研究人員開發(fā)了新型單倍型標(biāo)簽多態(tài)性標(biāo)記HTP，其形態(tài)是一種區(qū)塊狀標(biāo)記，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)部包含多種變異類型，所有位點(diǎn)均是來自高質(zhì)量的Maize6H-60K芯片。作為高質(zhì)量的核心位點(diǎn)集，單個(gè)區(qū)塊標(biāo)記同時(shí)還具有超高多態(tài)性的特點(diǎn)，與點(diǎn)狀標(biāo)記（SSR，SNP，InDel）相比，HTP標(biāo)記在品種鑒定應(yīng)用中具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢。

 

　　此外，研究人員開發(fā)了一個(gè)全基因組HTP分析工具包HTPTools，同時(shí)建立了一個(gè)HTP數(shù)據(jù)庫（HTPdb，https://htp.plantdna.site/database/nucleus-haplotype）。該數(shù)據(jù)庫覆蓋了育種中常用的3,587個(gè)重要玉米自交系，其中包括172,921個(gè)非冗余的HTP等位基因變異。為玉米研究人員及育種家提供了豐富的單倍型標(biāo)簽資源。同時(shí)，基于HTP標(biāo)記的特點(diǎn)，研究人員在HTPTools中集成了智能區(qū)塊數(shù)據(jù)填充算法，當(dāng)僅需獲取少量HTP標(biāo)記的基因型時(shí)，可以通過該功能快速地獲取對應(yīng)區(qū)塊的完整數(shù)據(jù)。

 

　　HTP標(biāo)記是一種在基因組上首尾相接的區(qū)塊狀標(biāo)記，具備全基因組覆蓋的獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合大數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜譜系重建和雜種優(yōu)勢模式預(yù)測等復(fù)雜分析。研究人員以國內(nèi)重要玉米自交系京2416為例，將其中一個(gè)親本作為未知親本，通過HTPTools中集成的全基因組單倍型比對算法及系譜預(yù)測模塊，可以快速準(zhǔn)確地推測出未知親本為京24。對于育種歷史中一些系譜不完整的重要自交系系譜重建，HTP的分析策略是一種有效地技術(shù)手段。此外，研究人員還開發(fā)了適用于HTP標(biāo)記的雜優(yōu)模式預(yù)測算法并集成到HTPTools中。經(jīng)過國內(nèi)推廣面積較大的優(yōu)異玉米雜交品種測試，HTPTools可以實(shí)現(xiàn)推測每個(gè)品種的雜優(yōu)模式并達(dá)到98%的正確率，這項(xiàng)功能在未來育種工作中具有重大的應(yīng)用潛力。

 

　　最后，研究人員開發(fā)了一種新的繪圖引擎“BCplot”，可以實(shí)現(xiàn)大批量群體樣本的基因組背景快速繪制，為育種家在回交轉(zhuǎn)育等育種過程中提供所選群體的完整背景圖，實(shí)現(xiàn)群體背景信息快速可視化。研究人員以一個(gè)回交育種群體為例，展示了利用HTP分析策略如何實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)地完成從BC1到BC3的快速選育。HTPTools中集成了群體分析模塊，可以將輸入的群體HTP數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)全面的背景評估，包括每個(gè)世代背景回復(fù)率的樣本比例，每條染色體上群體內(nèi)樣本發(fā)生交換的分布以及全基因組 HTP 的交換頻率。通過區(qū)塊化的展示，可以幫助育種家更加直觀的了解群體中每一個(gè)材料的詳細(xì)背景回復(fù)情況，有助于對育種群體的詳細(xì)評估以及精準(zhǔn)高效地完成背景選擇。繪圖引擎“BCplot”可以圖形化地呈現(xiàn)不同背景回復(fù)率區(qū)間內(nèi)群體樣本的比例。該信息對于確定玉米回交群體規(guī)模至關(guān)重要，可幫助育種家有效地控制群體規(guī)模，減少不必要的投入。同時(shí)，HTPTools中集成了群體背景評估分析及自動化選擇最優(yōu)單株的功能，助力育種家高效精準(zhǔn)地完成育種工作。

 

　　北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所助理研究員趙怡錕、玉米所田紅麗副研究員、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李春輝副研究員和我院玉米所易紅梅副研究員為本文共同第一作者，我院趙久然研究員、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所王天宇研究員和我院王鳳格研究員為共同通訊作者，論文的第一通訊單位為北京市農(nóng)林科學(xué)院。該研究得到科技部“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持（2017YFD0102001）。