百邁客高通量測序助力核心種質(zhì)精準鑒定

核心種質(zhì)是種質(zhì)資源的一個(gè)核心子集，以最少數量的遺傳資源最大限度地保存整個(gè)資源群體的遺傳多樣性。對種質(zhì)資源進(jìn)行核心種質(zhì)鑒定不僅可以作為種質(zhì)資源群體研究和利用的切入點(diǎn)，提高整個(gè)種質(zhì)庫的管理和利用水平，還能有重點(diǎn)地進(jìn)行優(yōu)異種質(zhì)的研究，結合GWAS分析、遺傳進(jìn)化分析、QTL定位、特有標記開(kāi)發(fā)等方法進(jìn)一步進(jìn)行基因的挖掘與克隆，提高種質(zhì)資源的利用效率。本期精選發(fā)表的核心種質(zhì)構建與應用文章，包含水稻、大麥、高粱、黃瓜、辣椒多種物種，包含GWAS、遺傳進(jìn)化等應用方向，提供核心種質(zhì)鑒定應用的研究思路。

（1）大麥種質(zhì)資源遺傳多樣性[1]

Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection

基因庫儲存來(lái)自世界各地的農作物品種、地方品種和野生近緣種的樣本，以保護我們的農業(yè)遺產(chǎn)，并開(kāi)發(fā)用于未來(lái)作物改良。位于Gatersleben的IPK研究所的德國聯(lián)邦異地基因庫是擁有世界上最全面的栽培植物收集品的地方之一，包括22,000多個(gè)大麥種子樣本。本研究對種質(zhì)庫中22,626份庫存大麥種質(zhì)資源進(jìn)行單株基因分型，得到了171,263個(gè)SNP位點(diǎn)，通過(guò)PCA和ADMIXTURE群體結構分析全球馴化大麥的種群結構，并檢測到這些材料之間存在33%的重復比例。該研究大樣本量的SNP標記為全基因組關(guān)聯(lián)分析提供了強大的基礎。進(jìn)一步檢測了大麥基因庫的已報道和新的潛在形態(tài)位點(diǎn)，找到了大麥和水稻中無(wú)倒刺芒趨同選擇的證據，同時(shí)在此基礎上構建了基因型數據和目錄性狀數據的整合平臺，并依托種質(zhì)資源目錄性狀數據實(shí)現了質(zhì)量性狀新基因發(fā)掘。本研究不僅為各類(lèi)庫存農作物種質(zhì)資源的高效保藏和多樣性種質(zhì)的國際交流提供了借鑒，也為開(kāi)展基于基因型的大樣本核心種質(zhì)構建、精準鑒定和深度研究提供了思路。

全球Genebank中大麥遺傳多樣性

（2）辣椒種質(zhì)全球范圍擴張史[2]

Global range expansion history of pepper (Capsicum spp.) revealed by over 10,000 genebank accessions

基因庫收集和保存大量植物和詳細的護照信息，目的是保護遺傳多樣性以進(jìn)行保護和育種。此類(lèi)集合的遺傳表征有可能闡明重要作物的遺傳歷史，使用標記-性狀關(guān)聯(lián)來(lái)鑒定感興趣性狀的位點(diǎn)，尋找正在進(jìn)行選擇的位點(diǎn)，并通過(guò)識別分類(lèi)錯配和重復為基因庫管理作出貢獻。本研究通過(guò)GBS測序對來(lái)自全球基因庫的10,038個(gè)辣椒 (Capsicum spp.) 種質(zhì)進(jìn)行基因分型，并調查了這種標志性主食的近期歷史?；赟NP數據計算了identity-by-state (IBS) 比例，在基因庫內和基因庫之間檢測到多達 1,618 個(gè)重復種質(zhì)。進(jìn)一步深入分析了常見(jiàn)食用辣椒的遺傳多樣性以調查其歷史，發(fā)現在全球廣泛地區收集的辣椒種類(lèi)有很大的重疊。GWAS分析和選擇清除分析發(fā)現辣椒性狀，如刺激性，這些性狀在全球分布不均勻，表明人類(lèi)偏好對馴化辣椒的遺傳結構產(chǎn)生了主要影響。

全球Genebanks中的辣椒多樣性

（3）3004份水稻核心種質(zhì)開(kāi)發(fā)[3]

Designing a Mini-Core Collection Effectively Representing 3004 Diverse Rice Accessions

遺傳多樣性為植物育種和遺傳研究奠定了基礎。3K水稻基因組 (3KRG) 項目對3000多個(gè)水稻基因組進(jìn)行了測序。本研究新增了四個(gè)印度水稻品種以創(chuàng )建一個(gè)包含3004個(gè)水稻品種的群體。但是如此多的種質(zhì)資源難以保存和評估。構建核心和微核心種質(zhì)是遺傳資源管理的有效方法。因此，本研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含 520 個(gè)種質(zhì)的微核心種質(zhì)集，它捕獲了大部分SNP并代表了原始種質(zhì)資源群體中的所有表型和地理區域。微核心種質(zhì)集使用不同的統計分析進(jìn)行了驗證，并包含來(lái)自所有主要水稻的代表，包括粳稻、秈稻、aus/boro 和印度香米等。微核心種質(zhì)集的全基因組關(guān)聯(lián)分析有效地復現了原始群體中確定的標記-性狀關(guān)聯(lián)。單倍型分析驗證了微核心種質(zhì)集的實(shí)用性。本研究中開(kāi)發(fā)的水稻微核心種質(zhì)集對于農藝性狀評估和通過(guò)標記輔助分子育種進(jìn)行的水稻改良具有重要價(jià)值。

水稻原始種質(zhì)資源和微核心種質(zhì)集的種群結構分析

（4）黃瓜遺傳多樣性、種群結構、GWAS和核心種質(zhì)開(kāi)發(fā)[4]

The USDA cucumber (Cucumis sativus L.) collection: genetic diversity, population structure, genome-wide association studies, and core collection development

種質(zhì)資源收集與保存是保護自然遺傳多樣性的重要資源，同時(shí)也是提供優(yōu)異性狀來(lái)源的重要資源。本研究使用GBS技術(shù)對美國農業(yè)部種質(zhì)資源庫保存的1234個(gè)黃瓜種質(zhì) (Cucumis sativus L.)進(jìn)行基因型鑒定。得到了超過(guò)23 K的SNP位點(diǎn)，利用這些SNP標記對黃瓜種質(zhì)的遺傳多樣性、種群結構、系統發(fā)育關(guān)系、連鎖不平衡和種群分化進(jìn)行分析，發(fā)現黃瓜主要分為三個(gè)亞群，分別是黃瓜起源地南亞亞群、東亞亞群和其他地區的品種形成的亞群，并且不同亞群之間的連鎖不平衡指數（LD）、核苷酸多樣性（π）以及群體分化指數（Fst）都存在明顯的差異。還通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)研究 (GWAS) 確定了與 13 個(gè)性狀相關(guān)的SNP位點(diǎn)。最后，開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含 395 種材料的核心種質(zhì)集，代表了96%的遺傳變異。這些核心種質(zhì)資源對黃瓜優(yōu)異基因資源的利用和黃瓜基因組的深度解析提供了數據支持。

黃瓜核心種質(zhì)開(kāi)發(fā)與評估

（5）埃塞俄比亞高粱種質(zhì)鑒定[5]

A comprehensive phenotypic and genomic characterization of Ethiopian sorghum germplasm defines core collection and reveals rich genetic potential in adaptive traits

了解作物的種群遺傳結構和多樣性對于設計植物育種的選擇策略至關(guān)重要。本研究對大約2010份埃塞俄比亞高粱種質(zhì)在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了不同性狀的表型鑒定，并且對其中1628個(gè)種質(zhì)，主要是地方品種、一些改良品種和近交系，進(jìn)行了基因分型。表型數據顯示，埃塞俄比亞高粱種質(zhì)中重要性狀與不同的農業(yè)氣候地區相關(guān)，遺傳多樣性高，且存在罕見(jiàn)的自然變異。隨后的基因型分析確定了每個(gè)高粱品種的最佳亞群數、不同的聚類(lèi)群和祖先。為提高種質(zhì)資源的利用率，在聚類(lèi)分析的基礎上，通過(guò)基因型的后驗分組和數量性狀的分層隨機采樣，篩選出387個(gè)核心種質(zhì)集。進(jìn)一步對篩選出的核心種質(zhì)集進(jìn)行了評估。此外，通過(guò)基因組-環(huán)境關(guān)聯(lián)分析，確定了與非生物因子適應相關(guān)的候選基因，這對開(kāi)發(fā)不同環(huán)境的適應潛力具有重要意義。本研究描述了高粱收集的多樣性和關(guān)系、已開(kāi)發(fā)核心的代表性，并為與非生物脅迫耐受性相關(guān)的候選基因提供了新的見(jiàn)解。

高粱種質(zhì)遺傳多樣性

百邁客助力種質(zhì)資源精準鑒定

基于以上文獻，我們不難發(fā)現，隨著(zhù)高通量測序技術(shù)的不斷發(fā)展，基于基因型鑒定來(lái)篩選核心種質(zhì)，利用高分辨率的分子標記類(lèi)型，是提高遺傳材料內及材料間遺傳相似度和雜合度的鑒別的有效手段，更加有利于核心種質(zhì)的構建。百邁客致力于將好的技術(shù)提供給科研人員，為推動(dòng)種質(zhì)資源精準鑒定，可提供大樣本量種質(zhì)資源全基因組重測序與SLAF簡(jiǎn)化基因組測序服務(wù)，進(jìn)一步可進(jìn)行核心種質(zhì)鑒定、DNA指紋圖譜構建等分析，詳情可聯(lián)系當地銷(xiāo)售經(jīng)理/技術(shù)支持。

參考文獻

[1] Milner SG, Jost M, Taketa S, et al. Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection. Nat Genet. 2019;51(2):319-326.

[2] Tripodi P, Rabanus-Wallace MT, Barchi L, et al. Global range expansion history of pepper (Capsicum spp.) revealed by over 10,000 genebank accessions. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(34):e2104315118.

[3] Kumar A, Kumar S, Singh KBM, et al. Designing a Mini-Core Collection Effectively Representing 3004 Diverse Rice Accessions. Plant Commun. 2020;1(5):100049.

[4] Wang X, Bao K, Reddy UK, et al. The USDA cucumber (Cucumis sativus L.) collection: genetic diversity, population structure, genome-wide association studies, and core collection development. Hortic Res. 2018;5:64.

[5] Girma G, Nida H, Tirfessa A, et al. A comprehensive phenotypic and genomic characterization of Ethiopian sorghum germplasm defines core collection and reveals rich genetic potential in adaptive traits. Plant Genome. 2020;13(3):e20055.