編者按：種業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、科技性產(chǎn)業(yè)。要想端牢中國(guó)飯碗，既要保障糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定安全供給，也要實(shí)現(xiàn)種業(yè)自主創(chuàng)新，種源自主可控。在重慶，通過(guò)一代又一代科研人辛勤培育，勤勉研發(fā)，堅(jiān)韌不拔地扎根土地，種業(yè)創(chuàng)新取得標(biāo)志性的成果和階段性的進(jìn)展。城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展網(wǎng)特別策劃“巴渝良種”系列報(bào)道，走進(jìn)育種科研人的世界，講述他們科技創(chuàng)新的故事，記錄重慶種業(yè)創(chuàng)新的斐然成果。
城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展網(wǎng)記者 李文萍
在人們的印象中，傳統(tǒng)育種是苦熬出來(lái)的。親本的選擇、雜交、實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)過(guò)程都需要耗費(fèi)大量的心力，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待和觀察。往往經(jīng)歷幾代人，才能培養(yǎng)出一個(gè)優(yōu)秀的農(nóng)作物品種。
為了加速育種進(jìn)程，新一代技術(shù)革命正在孕育發(fā)展。分子標(biāo)記、全基因組、基因編輯、轉(zhuǎn)基因等，從基因?qū)用嫜芯啃誀畋磉_(dá)的技術(shù)成為育種界的熱門研究方向。
西南大學(xué)柑桔研究所、西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心柑桔團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年，對(duì)300多個(gè)代表性柑橘種質(zhì)資源進(jìn)行深度重測(cè)序，篩選出4萬(wàn)余個(gè)核心SNP(單核苷酸多態(tài)性)位點(diǎn)，開發(fā)了柑橘全基因組40K液相育種芯片——橘芯1號(hào)。這是世界上柑橘領(lǐng)域第一個(gè)全基因組“液相芯片”。
▲ 芯片中4萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)的分布圖
使用這個(gè)“芯片”，人們能快速、準(zhǔn)確鑒定種質(zhì)材料的基因型、識(shí)別與優(yōu)良性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記或基因，輔助雜交親本的早期篩選，大大提高柑橘育種的效率和精準(zhǔn)度，彰顯出科技發(fā)展的加速度。
全基因組密碼怎么破？
——300多個(gè)種質(zhì)重測(cè)序開發(fā)“橘芯1號(hào)”
國(guó)家柑橘種質(zhì)資源圃(重慶)內(nèi)現(xiàn)存有1800多份柑橘種質(zhì)資源，資源數(shù)量位列世界第二、全國(guó)第一，對(duì)柑橘資源的收集、保存、研究具有重要作用。
“橘芯1號(hào)”的研發(fā)為什么只選擇300多個(gè)種質(zhì)?
“柑橘是個(gè)龐大的家族，包括橘、橙、柚、檸檬等，但為什么能形成這么多樣種質(zhì)?”中國(guó)柑桔研究所品種改良中心李強(qiáng)解釋，“歸根結(jié)底是基因的差異造成的，只有基因差異越大，越能形成一個(gè)新的種質(zhì)?！?
這意味著研究同一個(gè)（類）種質(zhì)代表性較差，研究性狀差異大的品種才具有借鑒性。
為此，團(tuán)隊(duì)精挑細(xì)選了差異較大的300多個(gè)種質(zhì)，進(jìn)行深度重測(cè)序，尋找影響不同品種性狀差異的“基因密碼”?！?00多個(gè)種質(zhì)里有市面上的主栽品種，也有野生品種，還有一些雜交材料等等，都具有很強(qiáng)的代表性?！?
那么，4萬(wàn)余個(gè)核心SNP位點(diǎn)、全基因組液相育種芯片又該如何理解?
李強(qiáng)表示，柑橘的基因組包含9條染色體，總長(zhǎng)近400 Mb，我們鑒定了基因組里的4萬(wàn)余個(gè)SNP位點(diǎn)，近乎平均分布于整個(gè)染色體，也就是柑橘基因中每10000個(gè)堿基里就有發(fā)掘1個(gè)SNP。通俗來(lái)講，10000個(gè)堿基可覆蓋一個(gè)基因的長(zhǎng)度。
“平均每個(gè)基因段都找了代表性位點(diǎn)，可以說(shuō)沒(méi)有遺漏?！崩顝?qiáng)介紹，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年，通過(guò)對(duì)300多個(gè)種質(zhì)的基因組反復(fù)關(guān)聯(lián)對(duì)比，最終選擇4萬(wàn)余個(gè)SNP位點(diǎn)，開發(fā)了“橘芯1號(hào)”?！癝NP位點(diǎn)的代表性很強(qiáng)，且均勻分散，密度較高。”
▲ “橘芯1號(hào)”的研發(fā)歷時(shí)7年，研究300多個(gè)種質(zhì)
由于種質(zhì)選擇極具代表性，SNP位點(diǎn)高密度，檢測(cè)一個(gè)柑橘品種，“橘芯1號(hào)”的位點(diǎn)檢出率大于96%，而這也是“橘芯1號(hào)”全基因組的內(nèi)涵。
當(dāng)前，基因芯片主要有液相、固相和深度重測(cè)序等方法，考慮到后兩者研發(fā)和應(yīng)用成本較高，團(tuán)隊(duì)選擇了液相芯片，其在基因分型應(yīng)用方面的成本僅為傳統(tǒng)固相芯片的十分之一。
全基因組如何選擇育種？
——4萬(wàn)余個(gè)SNP位點(diǎn)關(guān)聯(lián)80多個(gè)柑橘性狀
近20多年來(lái)，分子標(biāo)記輔助育種通過(guò)檢測(cè)與目標(biāo)性狀緊密關(guān)聯(lián)的DNA分子標(biāo)記，找到了跟性狀相關(guān)的目標(biāo)基因或SNP性狀位點(diǎn)，已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛且成熟的技術(shù)。但它的局限在于只能對(duì)個(gè)別SNP位點(diǎn)開展研究，適合受主效基因或主效QTL控制的簡(jiǎn)單性狀的選擇，針對(duì)產(chǎn)量、抗病性等由微效多基因控制的表達(dá)并不能完全“解讀”。
“可以說(shuō)全基因組選擇育種是分子標(biāo)記后的新一代技術(shù)，是新技術(shù)對(duì)舊技術(shù)的更新?！崩顝?qiáng)補(bǔ)充，團(tuán)隊(duì)也曾研究過(guò)分子標(biāo)記，并在其基礎(chǔ)上開發(fā)出“全基因組芯片”輔助育種，通過(guò)全基因組的高密度SNP標(biāo)記，彌補(bǔ)分子標(biāo)記不能“解讀”多基因控制性狀的“遺憾”。
既然性狀的形成那么復(fù)雜，全基因組芯片如何從基因?qū)用孢M(jìn)行“解讀”？這個(gè)問(wèn)題也成為“橘芯1號(hào)”開發(fā)的最大難點(diǎn)——如何將性狀表現(xiàn)與基因型數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，李強(qiáng)舉了通俗的例子來(lái)闡釋。
例如，柑橘的甜度表現(xiàn)并非由單一基因控制，可能跟4萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)都有關(guān)聯(lián)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)每個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行“賦值”，比如A位點(diǎn)跟甜度的關(guān)聯(lián)度為90%，B位點(diǎn)跟甜度的關(guān)聯(lián)度為60%，C位點(diǎn)跟甜度的關(guān)聯(lián)度10%，最終通過(guò)對(duì)所有關(guān)聯(lián)度“賦值”進(jìn)行統(tǒng)籌運(yùn)算，得出最終的甜度概率。
“科學(xué)要統(tǒng)籌考慮?！崩顝?qiáng)表示，不能因?yàn)槟硞€(gè)SNP位點(diǎn)對(duì)性狀表達(dá)影響較大，就忽略了其他影響力較小的SNP位點(diǎn)。
目前，“橘芯1號(hào)”4萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)關(guān)聯(lián)80多個(gè)柑橘性狀，包括果實(shí)大小、重量、顏色、葉片形態(tài)、花瓣形態(tài)等。其中每個(gè)性狀被這4萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)賦予關(guān)聯(lián)，只是“賦值”大小不同?！百x值”是項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮拼蠊こ?，既需要采集足夠多的品種樣本，又需要精準(zhǔn)的性狀評(píng)價(jià)，以及與SNP位點(diǎn)的可靠關(guān)聯(lián)。這也是為什么需要10余人歷時(shí)7年才能完成“芯片”的研發(fā)。
▲ “橘芯1號(hào)”4萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)關(guān)聯(lián)80多個(gè)柑橘性狀，圖為奉節(jié)臍橙
僅是數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)一項(xiàng)工作就曾讓李強(qiáng)覺(jué)得“壓力山大”。柑橘產(chǎn)業(yè)受天氣、環(huán)境影響較大。為此，團(tuán)隊(duì)連續(xù)2-3年花費(fèi)大量的時(shí)間采集花、果實(shí)、葉片等，做好數(shù)據(jù)的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)。甚至，為了使數(shù)據(jù)更具“說(shuō)服力”，團(tuán)隊(duì)選擇采集數(shù)據(jù)時(shí)盡可能做到“面面俱到”。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，針對(duì)果實(shí)大小這一性狀，團(tuán)隊(duì)不僅要連續(xù)采集2-3年，甚至要盡可能將同一個(gè)品種的果實(shí)采集到，采集的方位要分東南西北、上中下層，最終將采集的果子測(cè)算出大小平均值，盡可能向誤差降到最低。
全基因組芯片的未來(lái)在哪？
——搭建全基因組智慧育種平臺(tái)
柑橘界有“桃三李四柑八年”的說(shuō)法，意思是從播種到開花柑橘通常需要8年時(shí)間。傳統(tǒng)育種中，只有等待柑橘開花結(jié)果，才能知道果子的性狀，且大面積的種植、篩選也需要大量的人力管護(hù)、土地資源支撐。
“全基因組選擇育種可以直接通過(guò)基因篩選出優(yōu)秀的親本。在它還是小苗的時(shí)候，就能根據(jù)目標(biāo)性狀判斷是否需要選擇它做親本。”李強(qiáng)表示，全基因組芯片對(duì)于品種的早期篩選具有重要作用，既加快了育種的效率，同時(shí)節(jié)省了傳統(tǒng)育種中的人力、土地資源。
▲ 全基因組芯片對(duì)于品種的早期篩選具有重要作用
當(dāng)前，團(tuán)隊(duì)正在開展全基因組芯片的驗(yàn)證工作，包括性狀表型數(shù)據(jù)的可靠性分析、預(yù)測(cè)的表型值計(jì)算、以及預(yù)測(cè)的表型值與實(shí)際表型值的相關(guān)分析等。
“如果預(yù)測(cè)效果不好，人家把樹砍了，真正留下來(lái)的又長(zhǎng)不好，那不是反倒給別人帶來(lái)麻煩?！崩顝?qiáng)表示，團(tuán)隊(duì)將在2-3年時(shí)間內(nèi)進(jìn)行“芯片”的迭代升級(jí)，使得“芯片”預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高?！坝绕涫轻槍?duì)300多個(gè)種質(zhì)之外的品種驗(yàn)證?！崩顝?qiáng)補(bǔ)充，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步擴(kuò)大品種范圍，驗(yàn)證“芯片”對(duì)于預(yù)測(cè)表型的準(zhǔn)確性。
同時(shí)，未來(lái)團(tuán)隊(duì)也將基于橘芯1號(hào)搭建柑橘界的全基因組智慧育種平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)將基于芯片的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)功能，加入大數(shù)據(jù)計(jì)算、人工智能模型、自動(dòng)化處理模塊，構(gòu)建智能化、自動(dòng)化育種平臺(tái)，為育種人提供一站式、低門檻的科學(xué)支撐服務(wù)。
“別人拿個(gè)樣品來(lái)，我們利用橘芯1號(hào)將樣品進(jìn)行基因分型，然后將基因型數(shù)據(jù)導(dǎo)入全基因組育種平臺(tái)，通過(guò)大模型運(yùn)算，很快就能出來(lái)關(guān)于樣品的分析結(jié)果?！崩顝?qiáng)介紹。
試想一下，以前育種人要花多年時(shí)間進(jìn)行親本的選擇、雜交、觀察子代的表現(xiàn)，現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的APP或者網(wǎng)頁(yè)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)平臺(tái)大模型預(yù)測(cè)，快速出示分析報(bào)告，就能知曉后代性狀表型的概率，既快捷方便，又省心省力。
這就是中國(guó)柑桔研究所品種改良中心、西南大學(xué)西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心柑桔創(chuàng)制團(tuán)隊(duì)關(guān)于“橘芯1號(hào)”的下一步設(shè)想，也是未來(lái)柑橘育種的美好藍(lán)圖，更是科技進(jìn)步、技術(shù)更新跑出的“加速度”。
