中國農(nóng)科院蔬菜花卉所開發(fā)異交物種基因高效定位的新算法工具OcBSA

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)程鋒研究員聯(lián)合馬鈴薯遺傳育種與栽培創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)李廣存研究員，基于深入解析異交（異花授粉）物種或長世代物種的F1分離群體的遺傳特點(diǎn)，開發(fā)了一套專用的BSA 新算法工具OcBSA，以高效促進(jìn)其基因挖掘，從而推進(jìn)該類物種的分子育種。研究成果以“OcBSA: an NGS-based Bulk Segregant Analysis Tool for Outcross Populations” 為題發(fā)表在國際著名期刊《Molecular Plant》（IF: 27.5）。這是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)繼合作構(gòu)建解析馬鈴薯單倍型DM基因組完成圖（Molecular Plant, 2023）之后的又一個(gè)合作成果。

 

　　蔬菜、薯類、大田作物、花卉、果樹和林木等許多物種都具有異花授粉的特性（如甘藍(lán)白菜類、馬鈴薯、玉米、百合、蘋果等）。由于異交物種基因組高度雜合、自交不親和，或者世代時(shí)間長，難以培育成自交系用于遺傳育種研究，嚴(yán)重阻礙了重要性狀的遺傳解析和關(guān)鍵基因的定位挖掘。這些物種的許多重要性狀在F1單株中即發(fā)生分離，如何有效利用F1分離群體進(jìn)行重要農(nóng)藝性狀調(diào)控基因的快速準(zhǔn)確定位是從事相關(guān)研究的科學(xué)家的痛點(diǎn)。

 

　　經(jīng)典的基因位點(diǎn)快速定位方法Bulked Segregant Analysis（BSA，集群分離分析法）具有適用范圍廣、實(shí)驗(yàn)成本低的優(yōu)勢，但現(xiàn)有BSA算法（例如SNP index，ED，G value）均是基于F2分離群體開發(fā)，不適用于F1分離群體。F2分離群體的雙親通常為純和（每個(gè)親本可以看作1個(gè)單體型），而F1分離群體的雙親為高度雜合（每個(gè)親本由2個(gè)單體型構(gòu)成）。因此，利用F1群體進(jìn)行精確遺傳定位，必須深入解析并理清兩個(gè)雜合親本的4條單體型在后代群體中的遺傳模式。

 

　　本研究采用精確屏蔽隱性親本的兩條單體型的策略來簡化F1分離群體的復(fù)雜遺傳模式。如圖1模型例示，兩個(gè)親本中與目標(biāo)性狀（紫色）分離相關(guān)的為顯性親本（P1）。在顯性親本中含有顯性基因的單體型為h1，另外一個(gè)單體型為h2。隱性親本（P2）的兩個(gè)單體型則為h3和h4。在F1后代中獲得h1單倍型的單株表現(xiàn)為紫色，獲得h2的為黃色；h3和h4對(duì)后代的表型沒有影響。根據(jù)此規(guī)律，選取特定標(biāo)記，在后代混池測序數(shù)據(jù)中移除隱性親本的兩個(gè)單體型h3和h4的信息，得到僅包含單體型h1和h2的兩個(gè)新的OcPools。新的OcPools類似于F2分離群體的混池，因此，進(jìn)一步根據(jù)親本P1的兩個(gè)單體型h1和h2在OcPools中的分離情況可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性狀調(diào)控基因的定位。

　　本研究構(gòu)建了1000個(gè)單株的F1模擬群體，分別從中選取20、30和40個(gè)單株模擬構(gòu)建極端混池，各重復(fù)600次，并同時(shí)測試OcBSA以及Ridit、BSATOS、ED4、LOD和SNP index等不同BSA算法的定位效率和精度，結(jié)果顯示OcBSA的QTL檢測效果最為高效和靈敏。研究進(jìn)一步收集了蘋果、梨、桃、柑橘、葡萄、茶樹和水稻等七個(gè)物種的F1分離群體的測序數(shù)據(jù)，對(duì)OcBSA的檢測效果進(jìn)行測試，分析結(jié)果進(jìn)一步證明了OcBSA的準(zhǔn)確性和廣泛適用性。

 

　　本研究還構(gòu)建了馬鈴薯關(guān)于花色的F1分離群體，并對(duì)其進(jìn)行了混池取樣測序。OcBSA的定位結(jié)果與分子標(biāo)記分型結(jié)果完全一致。進(jìn)一步通過重組單株篩選進(jìn)行精細(xì)定位，定位結(jié)果位于OcBSA定位信號(hào)的最高點(diǎn)。相關(guān)結(jié)果與前人報(bào)道的調(diào)控馬鈴薯花色的AN2基因位置一致。

 

　　綜上，OcBSA將4條單體型的復(fù)雜遺傳關(guān)系轉(zhuǎn)化為2條單體型的遺傳定位問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異交物種F1分離群體的目標(biāo)性狀調(diào)控基因的高效精確定位。大量模擬數(shù)據(jù)分析和8個(gè)不同物種的真實(shí)數(shù)據(jù)分析證明了OcBSA的高效性、準(zhǔn)確性和廣泛適用性。預(yù)期OcBSA將會(huì)極大促進(jìn)異交物種以及世代時(shí)間長的物種的重要性狀遺傳解析，推動(dòng)這些物種的分子設(shè)計(jì)育種研究。

 

　　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所博士生張令奎、段艷鳳博士為該論文的共同第一作者；程鋒研究員、李廣存研究員為該論文的共同通訊作者。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

 

　　中國農(nóng)科院蔬菜花卉所程鋒團(tuán)隊(duì)（生物技術(shù)室生物信息課題組）長期開展甘藍(lán)、白菜等十字花科蔬菜作物和茄科蔬菜作物的種源演化和重要性狀解析研究。團(tuán)隊(duì)綜合利用基因組學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)手段，研究方向主要包括：1、蔬菜物種演化和資源群體馴化研究；2、蔬菜產(chǎn)品器官（花球、果實(shí)、葉球）復(fù)雜農(nóng)藝性狀的調(diào)控機(jī)制和關(guān)鍵基因功能解析；3、蔬菜分子設(shè)計(jì)育種的算法工具和數(shù)據(jù)庫平臺(tái)研發(fā)。團(tuán)隊(duì)成員以通訊或第一作者在Nature Genetics、Nature Plants、Nature Communications、Molecular Plant、PNAS、Plant Cell等刊物發(fā)表SCI論文40余篇。近5年里，團(tuán)隊(duì)發(fā)表高水平研究論文19篇，累計(jì)影響因子242.952。詳細(xì)信息見課題組網(wǎng)站：www.bioinformaticslab.cn。因科研工作需要，擬招聘蔬菜基因組學(xué)等研究方向的博士后1-2名，歡迎在科研上立志勇攀高峰的同學(xué)們加入我們（具體信息見實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，咨詢郵件：chengfeng@caas.cn）。

 

　　中國農(nóng)科院蔬菜花卉所李廣存團(tuán)隊(duì)（馬鈴薯課題組）長期從事馬鈴薯遺傳育種與栽培技術(shù)研究。研究內(nèi)容主要包括：馬鈴薯種質(zhì)資源精準(zhǔn)評(píng)價(jià)與種質(zhì)創(chuàng)新、重要農(nóng)藝性狀遺傳解析、育種技術(shù)研發(fā)與新品種培育，以及綠色高效智慧栽培技術(shù)研發(fā)等。先后育成馬鈴薯新品種51個(gè)，累計(jì)推廣面積近1億畝，獲得省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)勵(lì)11項(xiàng)，其中國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)成員以通訊或第一作者在Molecular Plant、Plant Cell、Plant Biotechnology Journal、ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。因科研工作需要，擬在‘多組學(xué)及馬鈴薯重要性狀解析’等研究方向上招聘博士后1-2名，竭誠歡迎國內(nèi)外青年才俊加盟！Email：liguangcun@caas.cn

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.02.011