GPB：大豆分子设计育种研究取得重要进展

近日，Genomics, Proteomics & Bioinformatics (GPB) 在线发表了吉林省农科院郝东云教授团队联合中国农业大学王向峰教授团队题为“Resequencing 250 Soybean Accessions: New Insights into Genes Associated with Agronomic Traits and Genetic Networks”的研究论文。我们很高兴邀请到文章的通讯作者郝东云教授为大家解读该项工作的主要内容。

要点介绍

研究问题：

大豆分子设计育种相关性状的基因和遗传网络解析

研究背景：

大豆是当今世界五大主栽作物之一，也是人类和动物油脂和蛋白质的主要来源。大豆原产中国，但是近年来由于国内大豆消费量的提高和种植面积的减少，我国已成为世界上最大的大豆进口国。2019年中央一号文件提出了“大豆振兴”计划，亟需加强大豆分子育种基础前沿研究，创建高效的现代化分子设计育种体系，培育高产优质大豆新品种，加速实现大豆“绿色革命”。作物的产量、品质等重要性状大都是多基因控制的复杂性状，受一因多效和遗传连锁的影响，使某些性状呈现耦合性相关。解析不同性状间耦合的遗传网络和分子机制是作物分子设计育种的关键科学问题。挖掘大豆复杂性状的关联基因和解析性状耦合的遗传网络，对大豆分子设计育种具有重要意义。

主要成果1：

解析了全球250个代表性大豆种质的群体结构和遗传分类，鉴定了370个与大豆改良相关的强选择信号，这些选择信号大部分位于与产量和品质性状相关的基因组区域。

主要成果2：

对50个农艺性状进行全基因组关联分析，定位了201个QTLs，除了鉴定到如株高性状相关的Dt1、油分性状相关的 FAD2 和 SAT1等已知基因外，还确定了5个新的大豆分子设计育种关键候选基因，分别是：与异黄酮含量相关的GSTT1、GL3 和 GSTL3，与产量性状相关的CKX3，以及与株型和产量性状相关的CPY85A2。

主要成果3：

构建了农艺性状及其关联基因的遗传关联网络，使不同农艺性状通过枢纽节点实现耦合。枢纽节点中的关键基因作为性状耦合的遗传基础，为分子设计育种提供了重要参考。

背景和研究对象

大豆起源于中国，其野生物种大约在公元前 3000 年被驯化，18世纪传入欧洲和北美，19世纪起在全球广泛栽培。全基因组重测序和全基因组关联研究（GWAS）已成为定位表型相关数量性状基因座（QTL）或基因的常用方法，逐步应用于作物全基因组选择和分子设计育种中。

本研究从中国东北大豆核心种质库中收集到 250个代表性大豆种质，其中包括来自中国东北和西北地区的 134个材料，以及来自欧洲和北美地区的116个材料。对这 250个大豆种质进行了深度全基因组重测序和生物信息学分析，为进一步探索大豆的起源进化和分子设计育种提供了独特的参考。

主要结果

1.  250个大豆种质的全基因组测序和群体结构分析

图1. 250个大豆种质的群体结构

对包含来自中国东北、西北、北美和欧洲的250个大豆种质（图1A）进行深度全基因组重测序，获得了大约3T碱基的原始测序数据，样本平均测序深度为11×。通过标准生物信息流程共检测到6,333,721个单核苷酸多态性 (SNP) 变异和2,565,797个插入和缺失（InDels）变异。

通过系统发育树可将250个大豆种质划分为四个主要亚群。亚群1主要包括大部分中国地方品种和部分栽培品种；亚群2主要由中国栽培品种构成；亚群3主要由欧洲栽培品种构成；亚群4主要由北美栽培品种构成（图 1B，C）。STRUCTURE和PCA分析结果同样支持四个亚群的分类模式（图 1D，E）。本项研究支持大豆遗传水平的亚群划分与其地理分布的强相关性，支持大豆的中国起源以及大豆从地方种到栽培种的驯化路径。

2. 大豆亚群的遗传多样性分析

图2. 大豆亚群的遗传多样性分析

对各亚群进行遗传多样性分析，主要比较了以下指标：连锁不平衡（LD）衰减距离、状态一致（IBS）和组内遗传多样性指数θπ。结果显示，地方品种的LD衰减距离小于栽培品种的LD衰减距离（图2A）；以地方品种为主的亚群1具有最小的 LD 衰减距离，以北美栽培品种为主的亚群4具有最大的 LD 衰减距离（图2B）。IBS 遵循与 LD 衰减距离相同的趋势（图2C，D）；而θπ与 LD 衰减距离呈现相反的趋势（图2E，F）。以上各项指标反映了各亚群品种的驯化程度，即中国地方品种驯化程度最低，而北美栽培品种驯化程度最高。

Fst指数用于衡量亚群间的遗传相似程度（图2G），由于欧洲栽培品种为主的亚群3与北美栽培品种为主的亚群4之间遗传相似度是最低的，提示欧洲、北美大豆主栽品种在各自独立改良之前，可能来源于不同的中国祖先品种。

3.  通过全基因组关联分析发现关键候选基因

对50个农艺性状（包括15个株型，5个颜色，1个异黄酮，4个油份，18个蛋白质、7个产量）进行 GWAS 分析，共鉴定到 201个QTL。使用基于基因功能突变的单倍型检验法对QTL进一步注释和筛选，快速定位了大量已知的QTL和功能基因，例如与株高相关的Dt1，和含油量相关的 FAD2 和 SAT1等。通过进一步生物信息学分析和qPCR验证发现了5个新的关键分子育种候选基因，包括：3个与异黄酮含量相关的候选基因GSTT1、GL3 和 GSTL3，1个与产量性状相关的基因CKX3，以及1个与株型和产量性状相关的基因CYP85A2。

图3. 与大豆异黄酮含量相关的基因

大豆异黄酮含量是重要的品质性状，谷胱甘肽S转移酶（GST）参与了异黄酮从细胞质到液泡的转运过程，从而调节异黄酮的积累；而GL3是一类bHLH转录因子，在黄酮类合成通路中发挥重要调控作用。本研究通过GWAS初定位了3个GST基因和1个GL3基因；在GSTT1基因座上有两个串联重复基因GSTT1a和GSTT1b, 通过单倍型检验发现GSTT1b是一个受连锁的基因，从而被排除；结合qPCR验证结果，最终确定了3个候选基因GSTT1、GL3 和 GSTL3（图3）。

图4. CKX3 与大豆产量性状相关

产量是最重要的驯化性状，也是 实现“大豆振兴”的关键指标性状。本研究通过GWAS初定位了两个细胞分裂素氧化/脱氢酶（CKX）基因CKX3和CKX4，同时关联多个产量相关性状，如每株荚数、每株粒数、百粒重和籽粒大小。CKX3和CKX4是一对串联重复基因，且各自的基因单倍型都与多个产量显著相关，但由于qPCR实验未检测到CKX4的表达，最终确定CKX3为关键的产量性状候选基因（图4）。

图5. CYP85A2与大豆株型和产量等性状相关

挖掘“理想株型”相关基因，是实现大豆“绿色革命”的重要环节，本研究通过GWAS定位了1个参与油菜素内酯合成通路的关键基因CYP85A2，该基因同时关联株高、茎秆强度等多个株型性状，同时也与产量性状每株粒重相关。CYP85A2通过单倍型检验和qPCR验证均显示与多个性状的强关联，是一个典型的一因多效基因，可能成为“理想株型”分子设计育种的关键候选基因（图5）。

4. 性状耦合的遗传关联网络

在一因多效、多基因调控、遗传连锁，以及基因蛋白质水平的分子互作等各种关联和调控因素的作用下，各性状和基因之间可形成复杂的遗传关联网络。本研究构建了包括了株型、颜色、油分、异黄酮、蛋白质和产量六大类、34个性状和 853个基因的遗传网络，其中15个枢纽节点中包含367个一因多效基因（图 6）。在这个网络中，同一类性状在整个网络中有更紧密的关联；不同类别的性状也会通过枢纽节点产生关联。枢纽节点中的关键基因可作为性状耦合的遗传基础，为分子设计育种提供理论依据。

图6. 大豆的性状耦合遗传网络

讨论

作物分子设计育种的最高目标是将许多优良性状聚合到一个基因组中，深入理解不同性状背后的遗传网络结构和基因调控机制有助于加速分子设计育种的进程。本研究对250份大豆种质进行深度全基因组重测序，并对50个农艺性状进行GWAS分析，鉴定了5个与大豆重要分子设计育种性状相关的候选新基因，为大豆基因组和功能基因研究提供了丰富的数据资源。本研究建立了一个新的性状遗传关联网络，可以直观地反映各性状之间的耦合关系，以及进一步挖掘枢纽节点中的关键基因，有助于加速分子设计育种中对优良基因的挑选和聚合。本研究为大豆分子设计育种提供了重要的理论基础，对高产优质大豆品种的培育具有重要参考价值。

合作研究团队简介

郝东云教授实验室（http://brc.jaas.com.cn/）研究方向为植物功能基因组学、植物生物技术和生物信息学，先后主持国家转基因生物新品种培育科技重大专项课题、国家自然科学基金、国家“863”计划、吉林省科技发展重大项目等课题20余项。近年来，团队主攻氮肥高效利用、产量、株型和抗病虫、耐逆等重要农艺性状的玉米和大豆生物育种，依托国家转基因玉米大豆中试与产业化基地（公主岭），建成了国际先进国内领先的作物生物育种技术平台，形成一整套生物育种研发技术集成体系。

王向峰教授实验室（http://ibreeding.org/）研究方向为植物基因组学和生物信息学、作物分子育种决策模型及应用工具，包括作物全基因组选择辅助育种模型、基因组优化设计育种模型、大数据驱动的育种智能决策模型、作物多组学数据关联分析算法、大规模种质资源基因挖掘工具、作物杂种优势遗传互作机制和适应性机制等方面的研究。近两年相关研究成果在Genome Biology（2021）, Genomics, Proteomics & Bioinformatics（2020），Theoretical and Applied Genetics（2020）等国际知名期刊发表。

博创惠医生物科技有限公司是一家从事农学及医学科技服务及应用转化的高科技公司。公司以基于组学数据分析的科技服务为基础，积极探索大数据在产业化中的转化应用。致力于农业大数据的产业化转化和搭建创新型服务平台。公司汇聚国内顶尖的专业团队，具有强大的研发能力、创新包容理念、前瞻性思维和敏锐的国际化视野。为高校、科研机构及育种公司提供个性化的技术服务和整体解决方案。

文章编译来源：Chunming Yang, Jun Yan, Shuqin Jiang, Xia Li, Haowei Min, Xiangfeng Wang, Dongyun Hao. Resequencing 250 Soybean Accessions: New Insights into Genes Associated with Agronomic Traits and Genetic Networks, Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 2021, ISSN 1672-0229, https://doi.org/10.1016/j.gpb.2021.02.009. 引用请参考以上格式。英文全文详见(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672022921001601).

吉林省农科院生物技术研究所副研究员杨春明和中国农业大学农学院博士后闫军为论文共同第一作者，吉林省农科院生物技术研究所郝东云教授为通讯作者，中国农业大学农学院王向峰教授以及北京博创惠医生物科技有限公司首席科学家闵浩巍博士为文章的共同通讯作者。该研究得到吉林省农业科技创新项目（批准号CXGC2017ZY027）和中国大豆种质准确鉴定与展示项目[批准号NB08-2130315-(25-31)-06、NB07-2130315-(25-30)-06、NB06-070401-(22-27)-05 和 NB2010-2130315-25-05]的资助。