Nature Genetics 重磅 | 上海师范大学黄学辉课题组开发了水稻育种学的基因组导航系统

2021年2月1日，国际著名学术期刊Nature Genetics在线发表了上海师范大学生命科学学院黄学辉教授团队题为“A quantitative genomics map of rice provides genetic insights and guides breeding”的研究论文。该研究团队开发了一个水稻基因百科图谱，其中包含所有已知的与性状相关的致病性变种，创建了涵盖这些变种的水稻变种集合，并开发了用于育种的基因组导航系统。

在本文中，作者提供了水稻数量性状核苷酸（QTNs）综合图谱，并根据八个全基因组关联研究队列推断QTN效应。群体遗传分析表明，驯化、本地适应和杂种优势均与QTN等位基因频率的变化有关。该研究开发的基因组导航系统RiceNavi，可用于QTN和育种策略的优化，并用于改善广泛种植的籼稻品种。这项工作为水稻育种提供了一个有效的平台，可将不断增长的基因组研究成果与水稻的各种改良需求联系起来。

为了研究QTN在基因组进化、杂种优势和本地适应中的作用，作者将QTN的保守性得分和ρ得分与相同QTG中的突变体进行比较，观察到两种方法中QTN的得分均明显较高，尤其是非同义SNP（nonSYN）和功能缺失（LoF）突变体，表明QTN的NonSYN SNP和LoF变异倾向于出现在水稻基因组的高度保守位点（图1）。等位基因频率等检测结果表明，QTN更有助于检测出导致水稻和其他农作物重要农艺性状相关的病原体，将成为水稻杂种优势研究的重要资源。

图1. QTN的遗传研究

为了确定与育种策略优化相关的关键因素，作者通过计算机模拟育种以及采用与车辆导航系统GPS地图和路线规划相似的算法构建QTN图谱，为开发水稻基因组导航系统RiceNavi铺平道路（图2）。随后，作者创建了三个主要模块，包括RiceNavi-QTNpick，-Sim和-SampleSelect，并将其加载到RiceNavi系统中。RiceNavi已被用于优良籼稻品种“黄华占”（HHZ）的遗传改良，使其能够更好地适应密植和缩短生长期。采用RiceNavi系统，不仅加快育种进度和精确度，而且可全部或部分实现QTN的大多数预测效果。总之，RiceNavi系统能够指导水稻的育种设计。

图2. RiceNavi实作和用户操作示意图

本研究开发并在RiceNavi系统中实施的新基因组方法可精确高效地优化设计新品种。该平台是依据水稻遗传学、种群基因组学和全基因组关联分析（GWAS）的大量集体数据建立的，将来可以与水稻基因组数据更新有效地集成在一起。RiceNavi已鉴定出有助于产量杂种优势，杂种不育和生育力恢复的关键基因和基因座。

本研究指出，稻米性状遗传网络的深入解析，包括QTN-QTN相互作用和QTN-环境相互作用，将提高表型预测的准确性，一旦获得了这些相互作用的遗传数据，该信息将被添加到RiceNavi平台进行更新。

上海师范大学魏鑫和邱杰为本文共同第一作者，黄学辉为通讯作者，中国科学院分子植物卓越中心的韩斌院士、华盛顿大学的Kenneth M. Olsen、黄学辉团队的博士研究生雍开成、范炯炯、张绮等也参与了该研究工作。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-020-00769-9