NSR | 華中農大發現MAGIC群體具有強大QTL定位和優異等位基因挖掘功能

2024-06-28 14:06
組學大講堂

植物遺傳研究的重要優勢是遺傳羣體構建的便利。傳統上用於遺傳作圖的主要有基於連鎖分析的雙親羣體和基於關聯分析的自然羣體和多親羣體。但由於雙親羣體的遺傳背景狹窄，可定位的 QTL 有限，自然羣體存在羣體結構和低頻變異等缺陷，多親羣體的關聯分析檢測功效低等原因，很難在單個羣體中定位多個真實準確的QTL。

MAGIC羣體，全稱爲Multiparent Advanced Generation Inter-Cross羣體，即多親本互交羣體，是由多個親本通過兩兩雜交得到一個包含所有親本信息羣體，而後經過數代近交或自交產生一個穩定的羣體，其後代每個個體遺傳信息是由所有親本組合而成，而對於每一個位點則是一個純合或接近純合，即來自於同一個親本。

MAGIC羣體構建過程

MAGIC羣體構建方法：

選擇親本：根據研究目的，選擇具有遺傳基礎和表型多樣性的親本。

雜交：多個親本進行成對雜交，然後子代再兩兩雜交，形成多親本家系羣體。確保子代包含所有親本的遺傳信息，增加染色體片段間的重組，提高後續的QTL（數量性狀位點）檢測分辨率。

近交或自交：以單粒傳的形式不斷自交得到RIL系或構建雙單倍體（DH系），最終得到相對穩定的MAGIC羣體。

MAGIC羣體與傳統羣體比較，具有以下兩點優勢：

增加遺傳多樣性：與雙親羣體相比，MAGIC羣體的親本數量多，增加了羣體變異豐富度，包括等位基因多樣性和表現型多樣性。

提高QTL檢測效率：大量累積的重組事件會提高QTL定位分辨率，使得MAGIC羣體的QTL結果可直接應用於育種。

MAGIC羣體可應用於作物遺傳育種，通過選擇優良株系作爲育種中間材料或直接組配新品種。此外，該羣體還可用於數量性狀位點的精確遺傳定位分析。

2024年6月26日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、崖州灣國家實驗室邢永忠教授課題組在National Science Review在線發表題爲“Powerful QTL mapping and favorable allele mining in an all-in-one population: a case study of heading date”的研究論文。該研究構建了一個包含1021個八親本秈粳交後代家系的MAGIC羣體，結合遺傳學，基因組學和轉錄組學方法，全面解析了MAGIC羣體的遺傳結構和抽穗期遺傳基礎，並評估了8個親本的不同等位基因的遺傳效應，爲水稻品種適應性改良提供了優異等位基因。

該研究首先獲得了8個親本的高質量基因組。在八親本間，超過44,000個基因存在功能序列差異，其中 21 個早期已克隆的抽穗期基因在八個親本間存在功能差異。在表型準確的前提下，MAGIC羣體理論上可以檢測到超過80%基因的功能變異。

使用“漏斗型”成對雜交策略聚合8個親本的基因型，並連續自交6代，以保證羣體構建過程中每個親本相同的遺傳貢獻。同時，從每個8-way F1的第一代自交後代中隨機選擇4個單株發展爲最終的家系，有利於單倍型的重建。

以兩年的抽穗期表型爲例，基於SNP的關聯分析在MAGIC羣體中鑑定到25個顯著信號，包括10個已克隆的抽穗期基因，遠高於分別在529份和950份水稻種質資源鑑定的3和4個抽穗期基因，這表明羣體結構和低頻變異的缺位極大增強了MAGIC羣體的QTL作圖能力。

研究利用隱馬爾科夫模型重建MAGIC羣體的全基因組bin型，共檢測到130,976次重組事件。基於bin的連鎖分析鑑定到47個QTL，包括14個已克隆的抽穗期基因。遺漏的5個基因只能在日長超過14小時的連續長日照實驗環境下檢測到，而武漢市自然條件難以維持長時間的超長日照條件。因此，在武漢長日照自然條件下，MAGIC 羣體鑑定到了所有已知能表現出功能差異的抽穗期基因，是目前檢測到最多已知抽穗期基因的單一羣體。除已知基因外，該研究還額外鑑定到4個可能影響抽穗期的自然變異，並利用MAGIC剩餘雜合系驗證了遺傳效應。

截止到目前，重要基因的遺傳效應大都是在雙親近等基因系羣體中評估的。在具有復等位基因分離的MAGIC羣體中可以非常便利地評估多種等位基因的不同遺傳效應。在之前的研究中，八親本的Ghd7分爲三種功能型，ZS97等位基因爲無功能型，MH63等位基因爲強功能型，NIP等位基因爲弱功能型。除報道外的三種功能型，該研究額外鑑定到一個AUS449等位基因存在延遲抽穗8天的次弱功能。這些具有不同遺傳效應的等位基因可用於不同地區不同種植季節的水稻品種的適應性改良。

華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室，生命科學技術學院王鵬飛博士和博士研究生楊瑩爲論文的共同第一作者，邢永忠教授爲通訊作者，熊立仲教授、張建偉教授和王磊研究員爲本研究提供了指導和幫助。李道楊碩士，博士研究生於志超，張波碩士和周想春博士也參與了該工作。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發項目，中國農業研究系統專項資金和作物遺傳改良國家重點實驗室自研項目的資助。華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室生物信息平臺爲研究提供了支持。

原文鏈接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae222/7699875?searchresult=1

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