“新鑰匙”雜交 產(chǎn)生性狀不同程度的雜種優(yōu)勢(shì)

其貌不揚(yáng)的雙親，生出了才貌雙全的后代。奇妙的“雜種優(yōu)勢(shì)”是每一個(gè)育種家想在自己的品種里實(shí)現(xiàn)的。然而，傳統(tǒng)雜交育種方法往往采用“地毯式”篩選，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

5月10日，《基因組生物學(xué)》在線發(fā)表了我國(guó)科學(xué)家組成的交叉學(xué)科團(tuán)隊(duì)最新成果，他們創(chuàng)建了一套迄今為止植物中最大規(guī)模的雜交遺傳設(shè)計(jì)群體，利用基因組大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和全基因組關(guān)聯(lián)分析方法系統(tǒng)解析探明了玉米雜種優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的新機(jī)制，為完善雜種優(yōu)勢(shì)假說(shuō)、高效利用玉米雜種優(yōu)勢(shì)提供了一把“新鑰匙”。

植物中最大規(guī)模的雜交遺傳設(shè)計(jì)群體

雜種優(yōu)勢(shì)是生物界普遍存在的遺傳現(xiàn)象，指雜合體在一種或多種性狀上優(yōu)于兩個(gè)親本的現(xiàn)象。玉米是全球最大的糧食和飼料作物之一，全球年產(chǎn)量超過(guò)10億噸。同時(shí)，玉米也是世界上最早利用雜種優(yōu)勢(shì)，并利用得最為徹底的作物之一。

“雜交種的選育已經(jīng)成為玉米種業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的核心。”論文共同通訊作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授嚴(yán)建兵告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，由于不同種質(zhì)材料雜交組合的雜種優(yōu)勢(shì)存在很大差異，常規(guī)育種模式下，通過(guò)大規(guī)模雜交實(shí)驗(yàn)來(lái)篩選強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合是唯一的育種途徑。

然而，在人工成本、經(jīng)費(fèi)投入和土地面積等因素限制下，一個(gè)優(yōu)良玉米雜交品種的選育往往需耗時(shí)數(shù)年，甚至10年以上。挖掘控制雜種優(yōu)勢(shì)的基因，對(duì)繼續(xù)開發(fā)利用玉米雜種優(yōu)勢(shì)、保障世界糧食安全具有舉足輕重的意義。

那么，如何更高效地利用玉米雜種優(yōu)勢(shì)?

近百年來(lái)，大量研究人員在玉米、水稻和油菜等物種中，對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的成因在不同層面進(jìn)行了詳細(xì)論證，極大地豐富了科學(xué)家對(duì)農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)形成的認(rèn)識(shí)。

論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授肖英杰說(shuō)，這些研究往往基于單一遺傳群體，對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的理解存在一定局限性：無(wú)法評(píng)估等位基因在不同背景下的效應(yīng)，從而難以解釋雜種優(yōu)勢(shì)的特殊配合力;兩個(gè)互作的基因位點(diǎn)必須在群體中表現(xiàn)出不同的性狀，從而可能低估了非等位基因互作對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)。

為系統(tǒng)解析玉米雜種優(yōu)勢(shì)，10多年前，嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)開始創(chuàng)建一個(gè)大規(guī)模人工合成玉米遺傳研究群體。肖英杰介紹，這個(gè)群體的母本來(lái)自1428 個(gè)純合自交系，涉及我國(guó)的旅大紅骨、四平頭和自330等玉米優(yōu)勢(shì)種質(zhì);其父本來(lái)自于30個(gè)具有國(guó)外血緣的優(yōu)良純合自交系，涉及Lancaster、Reid和Tropical等多個(gè)優(yōu)勢(shì)種質(zhì)。通過(guò)父本和母本逐個(gè)配對(duì)雜交，產(chǎn)生了42820個(gè)雜交種(F1代)。

肖英杰解釋說(shuō)，42820個(gè)雜交種本質(zhì)上是30組雜交群體，在每組雜交群體中，共享同一套母本群體基因組序列，因此同一位點(diǎn)在不同雜交群體中分離模式一致。而不同父本基因組引入，會(huì)導(dǎo)致不同基因效應(yīng)被激活，從而產(chǎn)生性狀不同程度的雜種優(yōu)勢(shì)。

“這套研究群體具有廣泛的多樣性，遺傳背景清晰，是研究雜種優(yōu)勢(shì)的理想材料，也能為玉米遺傳育種提供優(yōu)良的中間材料。”嚴(yán)建兵說(shuō)，這套群體大大擴(kuò)展了研究中的玉米雜交樣本數(shù)量，提高了育種家成功找出目標(biāo)后代的概率。

科研眾籌實(shí)現(xiàn)新算法突破

利用這個(gè)大規(guī)模人工合成玉米遺傳研究群體，嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)鑒定了超過(guò)1400萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性，挖掘出約800個(gè)可影響23個(gè)玉米農(nóng)藝性狀的數(shù)量性狀基因。

然而，龐大的數(shù)據(jù)如何解析?如何從中找到優(yōu)異的雜交組合?

“直接對(duì)所有42820個(gè)雜交組合進(jìn)行大規(guī)模田間表型試驗(yàn)，這對(duì)任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跏遣豢赡芡瓿傻娜蝿?wù)。”肖英杰說(shuō)。

而且，隨著單倍體誘導(dǎo)育種、快速育種等技術(shù)的逐步成熟與普及，未來(lái)幾年內(nèi)育種家每年獲得的自交系數(shù)量將呈指數(shù)型增長(zhǎng)。依靠表型篩查的傳統(tǒng)育種方式無(wú)法完成如此數(shù)量級(jí)的雜交組合田間測(cè)試。

因此，嚴(yán)建兵認(rèn)為，針對(duì)玉米這種以雜種優(yōu)勢(shì)為理論基礎(chǔ)進(jìn)行選育的作物，如果雜種優(yōu)勢(shì)、性狀改良的分子機(jī)制被破解，將為玉米育種帶來(lái)歷史性的變革。如何實(shí)現(xiàn)基因組設(shè)計(jì)選系是現(xiàn)代育種流程中亟待解決的問(wèn)題。

肖英杰介紹，以基因組選系為基礎(chǔ)的分子設(shè)計(jì)育種，需要以育種大數(shù)據(jù)為支點(diǎn)，通過(guò)對(duì)育種數(shù)據(jù)的解析、優(yōu)良基因及變異位點(diǎn)的挖掘，利用全基因組選擇、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法建立一系列育種決策模型;再通過(guò)基因型預(yù)測(cè)雜交后代的產(chǎn)量、性狀、抗性、品質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性等表型，輔助育種者制定每一育種周期內(nèi)的雜交方案。

然而，光靠一個(gè)搞遺傳育種研究的團(tuán)隊(duì)并不能實(shí)現(xiàn)新算法的突破。

于是，2017年5月，在安徽豐大種業(yè)公司的支持下，嚴(yán)建兵和清華大學(xué)教授魯志團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)起我國(guó)首個(gè)玉米雜種優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)賽，希望創(chuàng)造一種新的科研模式，通過(guò)科研眾籌和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步。

挑戰(zhàn)賽共吸引來(lái)自世界各地高等院校、公司等不同學(xué)科和領(lǐng)域的30多個(gè)代表隊(duì)參加。經(jīng)過(guò)半年角逐，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王向峰團(tuán)隊(duì)獲得挑戰(zhàn)賽冠軍。

雜種優(yōu)勢(shì)形成新機(jī)制被發(fā)現(xiàn)

該研究團(tuán)隊(duì)為玉米雜種優(yōu)勢(shì)研究找到了一個(gè)頗有前景的解決方案：精心挑選約9000個(gè)(20%)有代表性的雜交樣本，在全國(guó)五個(gè)省市進(jìn)行兩年的表型試驗(yàn)，人工調(diào)查獲得23個(gè)農(nóng)藝性狀的約250萬(wàn)個(gè)表型數(shù)據(jù);然后利用450萬(wàn)全基因組變異和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，搭建了一個(gè)基因型—表型的預(yù)測(cè)模型，高效、低成本地預(yù)測(cè)出其它約34000個(gè)(占80%)的雜交樣本的表型值。

論文共同通訊作者、北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員趙久然此后承擔(dān)了玉米雜交組配的田間測(cè)試。經(jīng)過(guò)四年交叉學(xué)科合作研究，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新的“基因互作”機(jī)制，這一機(jī)制為玉米雜種優(yōu)勢(shì)的形成做出了重要貢獻(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)把這一機(jī)制稱為“顯性—互作”共調(diào)控模型：通過(guò)基因組雜交，顯性互補(bǔ)作用大范圍地解除了基因組抑制性互作，激活了親本中被抑制的主效位點(diǎn)的表達(dá)，從而在玉米F1上表現(xiàn)為雜種優(yōu)勢(shì);不同骨干親本具有特異性的解除能力，體現(xiàn)出雜交育種中特定組合選擇的意義。

例如，株高基因ubi3是一個(gè)在母本群體中被Br2基因隱性抑制的位點(diǎn)，僅在母本群體中進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究分析，這一位點(diǎn)的效應(yīng)并不顯著;通過(guò)雜交，Br2基因位點(diǎn)父本等位基因的引入，解除了抑制作用，從而在F1群體激活了ubi3基因的表達(dá)，形成株高的雜種優(yōu)勢(shì)。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)不同基因常常在發(fā)育的不同階段起作用。從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)換期間，有大量基因表達(dá)并對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)起作用。“進(jìn)一步解析鑒定這些基因的功能，將為從分子層面理解雜種優(yōu)勢(shì)提供契機(jī)。”趙久然說(shuō)，多個(gè)預(yù)測(cè)的組合已經(jīng)進(jìn)入?yún)^(qū)試和釋放階段。

論文共同通訊作者王向峰認(rèn)為，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型決策鑒定雜種優(yōu)勢(shì)基因、尋找性狀改良基因的最優(yōu)組合模式，同時(shí)利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制優(yōu)異變異，有望精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)育種材料的千里挑一、萬(wàn)里挑一，將極大降低育種成本、加速育種進(jìn)程。

標(biāo)簽： “新鑰匙”