大家好，本周给大家分享的是最近发表在NG上与油菜育种中农艺性状的基因组选择和遗传结构相关的一篇文章。
文章题目：Genomic selection and genetic architecture of agronomic traits during modern rapeseed breeding (现代油菜育种中农艺性状的基因组选择和遗传结构)
期刊：Nature genetics
影响因子：2020_IF = 38.330; 中科大类: 综合性期刊1区; 中科小类: 综合性期刊1区; JCR分区: Q1
发文单位：中国农业科学院油料作物研究所、禾致源研发与合作中心、美国密苏里大学和 西澳大学等4家单位。
文章作者：中国农业科学院油料作物研究所助理研究员胡继宏博士等为第一作者，油料作物研究所伍晓明和诺禾致源研发与合作中心田仕林团队为共同通讯作者。
摘要：油菜是世界上重要的产油作物。近几十年来，它的适应性、产量和品质都有了显著的提高，但育种选择背后的遗传机制仍不清楚。因此，作者在418份不同油菜种质的全基因组测序基础上，对育种过程中的油菜进行了全面的基因组评估。作者揭示了选择适应性和农艺性状的基因组基础。全基因组关联研究在56个重要农艺性状（包括植株结构和产量性状）鉴定了628个关联位点相关的致病候选基因。此外，作者发现农艺性状的可能候选基因中存在非同义突变，在整个改良过程中等位基因频率分布存在显著差异，包括控制种子重量的核糖体循环因子（BnRRF）基因。本研究为油菜品种改良提供了基因组基础，为基因组辅助育种提供了宝贵的基因组资源。
主要结果：
1、基因组变异和群体结构
作者对418份不同的甘蓝型油菜种质进行重测序，获得了5.6T测序数据。该数据集包括410份油菜籽种质、7份蔬菜种质和一份合成油菜种质的生态型、地理以及性状和繁殖时间的多样性（图1a）。使用人工合成油菜（2AF508）作为外类群，418份材料之间的系统发育关系表明，蔬菜用途油菜与产油材料之间存在明显差异（图1b-e）。
图1. 418份油菜种质的地理分布和群体多样性。a、418份材料的地理分布，冬季、春季、半冬季和蔬菜用途材料分别用蓝色、绿色、红色和黄色表示。b、以人工合成油菜为外群，利用全基因组SNPs构建所有材料的系统发育树。c、蔬菜用途材料和三种生态型油菜之间的核苷酸多样性（π）和群体分化指数（Fst）。d、每个亚群的LD衰减值。e、该研究中所有材料的PCA分析。
2、适应性和农艺性状的全基因组选择
作者在不同生态型和育种时期使用了XP-CLR、π、Fst和OmegaPlus方法来确定与适应性、产量和品质改良有关的潜在选择性信号（图2）。在中国，油菜育种可能经历了两个重要阶段：提高对当地环境的适应能力和选择高产优质的种子。在改良过程中，在不同育种时期的五次比较中，至少有两次确定了总共1005个包含2604个基因的选定区域（图2）。第一阶段主要是环境适应；作者鉴定了为提高适应性而选择的相关基因，这些基因与半温型油菜的典型表型变化一致，从半冬油菜中筛选出8个与叶片衰老或叶绿素生物合成相关的基因，包括ERF4和CYP38，FT、PHYC和FAR1等昼夜节律基因参与开花时间的调节（图2a）。此外，叶角和开花时间的选择区间与相应的GWAS信号有重叠（图2c）。
图2. 现代油菜育种中选择性区间的全基因组分析。a、半冬型和冬型油菜的全基因组选择信号。b、中国不同繁殖时期的选择性区间。c、不同性状的GWAS信号与的已识别选择性区间的重叠。
3、56个农艺性状的GWAS分析
从2013年到2017年，共对6个地区的403个不同油菜品种的56个重要农艺性状进行了测定，并将其分为6类：PA、形态特征、胁迫和抗病性、生育期、产量组成、含油量和脂肪酸组成，具有丰富的表型多样性（图3）。作者在六个与高于阈值的表型变异相关的区域中确定了628个SNP-GWASs关联峰（图3）。此外，作者对56个性状进行了InDel-GWASs，InDel-GWASs识别的大多数位点与SNP-GWAS结果重叠，而一些位点仅在InDel-GWAS中检测到。
图3. 油菜基因组特征与GWAS结果的整合。a、每个染色体上的基因密度。b、SNP密度。c、插入/缺失密度。d-g、产量（d）、种子质量(e)、生长期(f)、植株结构（g）。h、A和C亚基因组的共线性分析。
4、植物结构（PA）候选基因的鉴定
PA强烈影响光截获和光合作用，在产量和作物适应中起着极其重要的作用。LA是叶片偏离水平方向与地面的角度，在越冬阶段，半冬型油菜的LA比冬型油菜的LA更直立（图4a，b）。染色体A03上的一个重要GWAS信号包括一个候选基因BnaA03g10430D，该基因编码一个与LA相关的生长素外排载体（BnPIN2），并且可能在育种过程中经历了选择（图4c-h）。因此，BnaA03g10430D可能参与生长素的极性运输，促进油菜不定根的产生，调节LA。
图4、叶片角度的GWAS和候选基因BnPIN2的鉴定。a、越冬期油菜的半直立叶片（匍匐）特征。b、半冬型和冬型油菜叶片角度的变化。c、染色体A03上的显示了基于SNP-GWAS的叶角位点关联位点（A03:470384）。d、BnaA03g10430D（BnPIN2）的XP-CLR图。e、BnaA03g10430D的外显子-内含子结构和DNA多态性。f、不同生态型中BnPIN2单倍型的频率变化。
g、BnaA03g10430D和BnaA07g21900D（BnBZR1）单倍型（Hap）的叶角箱线图。h、包含来自两个叶角相关基因座的两个候选基因的叶倾角模型。
5、产量相关性状候选基因的鉴定
产量是油菜最重要、最复杂的性状之一，提高产量是油菜育种的目标。在三种环境中，12个基因座与InDel-GWAS鉴定的基因座重叠（图5a）。染色体C08上的一些候选基因如BnaC08g31420D、BnaC08g32200D和BnaC08g32730D同时影响SW和SL（图5）。对于编码核糖体循环因子（BnRRF）的候选基因BnaC08g32730D，通过RNA-seq进行的表达分析表明，其在花蕾中高度表达（图5c）。作者初步分析表示，与空载体对照相比，在油菜T2系中过表达BnRRF也显示出显著增加的种子重量（图5d，f）。随后BnRRF基因表达测试显示，其与种子重量显著正相关（图5d，e）。单倍型分析检测到单倍型之间存在显著差异，并且两个SW候选基因（BnaC08g31420D和BnaC08g32730D）的单倍型频率在育种时期逐渐发生变化（图5g-i）。
图5、GWAS种子重量和致病基因BnRRF的鉴定。a、染色体C08上1000粒重的SNP-GWAS（蓝点）和InDel-GWAS（红点）的曼哈顿图。b、使用SNP（蓝色圆点）和InDels（红色三角形），围绕染色体C08上种子重量峰值的局部曼哈顿图和LD热图。c、基于RNA-seq中的FPKM，BnaC08g32730D（BnRRF）在不同组织中的表达水平。SAM，茎顶端分生组织；WAP，授粉几周后。d、随着表达水平的提高，BnRRF的过度表达（OE）显著增加了千粒种子的重量。e、大种子和小种子材料中BnRRF表达的qRT-PCR分析。f、CK和过表达系中种子的表型。g、BnRRF的基因结构和主要不同单倍型。h、基于BnRRF（BnaC08g32730D）单倍型的千粒重箱线图。i、BnaC08g32730D在不同生态型和繁殖时期的频率变化。
6、种子质量和其他性状的候选基因
芸苔属作物中，GSL在种子中高浓度积累，降低了种子的营养价值。该研究中，作者使用SNP-GWAS和InDel-GWAS在染色体A02、A09和C09上识别出三个显著相关的信号（图6），此前报道的与GSL含量相关的基因，包括GTR2（BnaA02g33530D和BnaA09g06190D）和HAG1/MYB28（BnaC09g05300D）也在该研究中被鉴定（图6a，b）。此外，作者确定了3个新的候选基因（BnaA09g05280D、BnaC09g05240D和BnaC09g04850D）调节GSL含量（图6c-f）。有趣的是，BnaA09g05280D（BnLSG）（低籽硫甙（LSG））和BnaC09g04850D（其功能尚未报道）分别是染色体A09和C09上的同源基因对（图6c-h）。单倍型分析表明，这两个基因的三个或五个主要单倍型与GSL含量相关，并且在生态型和育种时期，有利单倍型（Hap A，赋予低GSL含量）的频率同时增加，表明BnLSG可能是油菜GSL含量的基因（图6c–h）。
图6、GSL含量的GWAS和候选基因BnLSG的鉴定。a、染色体A09上GSL含量的SNP-GWAS曼哈顿图。b、基于GTR2（BnaA09g06190D）单倍型的GSL含量箱线图。c、BnaA09g05280D（BnLSG）的XP-CLR图。d、产油菜籽在BnaA09g05280D范围的选择性区间。e、基于SNP-GWAS的染色体A09上GSL含量峰值周围的局部曼哈顿图（顶部）和LD热图（底部）。f、BnLSG的基因结构和主要不同单倍型。g、基于BnaA09g05280D单倍型的GSL含量箱线图。h、BnaA09g05280D在不同生态型和繁殖时期的频率变化。
总之这项研究研究揭示了油菜育种过程中不同品种和人工选择或适应的基因组变异现象。这些结果为理解农艺性状的遗传基础和促进未来作物改良育种提供了宝贵的资源。
文中所有图片均来自Genomic selection and genetic architecture of agronomic traits during modern rapeseed breeding
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文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01055-6
参考文献：
Hu, J., Chen, B., Zhao, J. et al. Genomic selection and genetic architecture of agronomic traits during modern rapeseed breeding. Nat Genet (2022). https://doi.org/10.1038/s41588-022-01055-6
