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水稻|上海师范大学黄学辉团队在水稻遗传学研究中取得重大突破！

水稻黄学辉上海师范大学

上海师范大学黄学辉团队在水稻遗传学研究中取得重大突破 ， 相关研究成果近日在Nature Genetics上以“A quantitative genomics map of rice provides genetic insights and guides breeding”为题发表 。
据介绍 ， 该研究构建了迄今为止最完善的水稻数量性状基因关键变异（causative variation）图谱 ， 开发了一款智能化的水稻育种导航程序 。 该研究为水稻遗传研究提供了全面的数量性状基因信息 ， 建立了水稻分子设计育种新方法 ， 有望为水稻新品种的快速培育提供技术支持 。
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“这个工作对水稻育种有一定的帮助 。 以前育种主要靠经验、感觉 ， 我们的软件平台就像配了导航仪 ， 按照导航去一步步实施 ， 更快捷、精准 。 ”黄学辉教授深入浅出地告诉采访人员 。
哪一款大米符合你理想中的“最佳米饭”？同一方水土可以种出不同口感、用途的稻米吗？因为这个研究成果 ， 人们对于水稻种质的个性化需求 ， 或许可以得到更加迅速的满足 。
水稻作为全球三大主粮之一 ， 提高水稻产量、品质与抗性对保障世界粮食供给具有十分重要的意义 ， 但传统水稻育种工作量大、周期长 ， 因此提高育种效率、加快新品种培育速度是水稻育种技术改进的迫切需求 。
针对水稻产业的重大需要 ， 生命科学学院黄学辉团队经过多年艰苦工作 ， 研究构建了迄今为止最完善的水稻数量性状基因关键变异图谱 ， 开发了一款智能化的“水稻版”导航平台和软件包 ， 有望为水稻育种提供精准导航服务 。
构建了基因关键变异的电子图谱
最近二十年里大量的水稻QTL基因被克隆 ， 但是这些基因的关键等位变异信息尚未被精准、系统地梳理过 。
研究人员通过文献整理和生物信息分析 ， 获得一张包含348个数量性状基因关键变异位点（QTN）和562个等位基因的分子图谱（QTN map） 。 进一步根据QTN图谱 ， 收集了来自全世界的404份种质材料 ， 构建了包含各类稀有等位基因的实体库 ， 为水稻遗传改良配备了丰富的供体资源 。
作者选用了八套遗传群体 ， 利用这些群体大规模的原始测序数据和丰富的表型数据 ， 在同一尺度下重新分析 ， 对QTN的效应强弱进行了统一的量化评估 ， 包括同一QTN在不同亚种背景下、在不同地域环境下的遗传效应 。 结合每个基因的原始文献描述 ， 该图谱为每个QTN提供了精准的效应方向、强弱的数字化注解 。
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■ QTN图谱
开发了水稻版的“地图导航”程序
为了满足人们对于水稻种质的个性化需求 ， 他们开发了水稻的“导航”程序 。
常用的地图导航有三个主要功能：一、定位用户位置并展示周边路况；二、到达目的地最优路线规划和时间预估；三、行驶过程中语音提示直行或转弯 。 对标这三大功能 ， 论文作者开发了一套水稻版的导航软件包 。
利用水稻QTN图谱和遗传图 ， 论文作者系统分析了水稻基因组中存在的遗传累赘 ， 并针对杂交-回交-自交、群体样本量、导入位点数等各类情形进行了大数据仿真模拟 ， 获得了育种设计路线的优化参数 。
作者最终开发出了针对普通用户的网页在线版RiceNavi和针对服务器用户的离线加强版RiceNavi ， 配备了三大功能：一、提供用户待改良品种的全部QTN基因型并展示实体库中具有互补等位的种质材料；二、根据用户需要导入的基因位点及所选供体亲本给出最优育种路线并预估时间；三、育种过程每一代根据中间群体的基因型挑出最有潜力的若干个体 。
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■ RiceNavi实作和用户操作示意图
水稻导航系统未来大有可为
以往控制口感软糯的基因往往和植株倒伏、抗病弱等人们不想要的基因“锁”在一起 ， 传统育种很难将其分开 。 但水稻基因导航系统却可以通过精准识别 ， 打破这种基因连锁累赘 。
黄学辉解释 ， 这就好比两个基因住在一条街上 ， 却不一定是紧挨着的邻居 。 传统育种要改良一个性状 ， 往往需要把这两个基因之间的街坊都捎带上 。 而更精准的导航识别相当于给了每个基因一个特异识别信号 ， 帮助人们根据育种需求 ， 精准找到满足条件的基因 ， 从而设计出满足不同条件的育种路径 。
结合不同类型的遗传学问题 ， RiceNavi可以服务于进化、生态适应性、杂种优势、基因组元件功能等各类遗传学分析 。 研究人员利用RiceNavi对不同的遗传材料进行分析 ， 鉴定到了决定水稻籼粳分化性状的基因集、揭示出与野生稻驯化、现代育种改良等相关的基因及其变迁趋势……作为示例 ， RiceNavi还被应用于常规稻主栽品种“黄华占”的改良中 。 借助于RiceNavi的选配指导和路线优化 ， 作者仅用两年半时间实现了既定育种目标 ， 获得了株型紧凑、生育期略短的香稻型“黄华占” 。
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■“黄华占”品种改良
上海师范大学是该论文第一作者单位和通讯作者单位 ， 生命科学学院魏鑫副研究员和邱杰副研究员为论文共同第一作者 ， 研究生雍开成、范炯炯、张绮和团队成员华桦、刘杰博士、王勤老师等参与了该研究 ， 黄学辉教授为通讯作者 。


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