導(dǎo)讀
野生植物被成功地馴化為農(nóng)作物是人類(lèi)文明的大事件。該過(guò)程的成功很大程度上要?dú)w功于持續(xù)的人工選擇。本文總結(jié)了過(guò)去十年在作物馴化和育種研究中的新發(fā)現(xiàn)。作物基因組圖譜的構(gòu)建和眾多性狀控制基因的功能解析為科研提供了基礎(chǔ)信息。在許多植物的研究中都正在應(yīng)用讀取、解讀和改造復(fù)雜遺傳信息的方法來(lái)高效地從頭設(shè)計(jì)物種或?qū)σ吧N進(jìn)行重新馴化。了解作物微觀進(jìn)化的潛在機(jī)制，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，或?qū)槲磥?lái)應(yīng)對(duì)糧食安全方面的挑戰(zhàn)提供行之有效的解決方案。
原名：The integrated genomics of crop domestication and breeding
譯名：作物馴化與育種中的整合基因組學(xué)
期刊：Cell
IF：66.85
發(fā)表時(shí)間：2022年5月
通訊作者：黃學(xué)輝，黃三文和李家洋
通訊作者單位：上海師范大學(xué)，中國(guó)農(nóng)科院深圳基因組所和中科院種子創(chuàng)新研究院
DOI號(hào)： 10.1016/j.cell.2022.04.036
研究進(jìn)展
1 引言
自從大約一萬(wàn)年前出現(xiàn)農(nóng)業(yè)文明以來(lái)，人類(lèi)一直對(duì)農(nóng)產(chǎn)品有強(qiáng)烈的依賴(lài)。幾十種植物的成功馴化為作物是農(nóng)業(yè)文明的大事件，因?yàn)樨S富的糧食資源是人類(lèi)繁榮的重要基礎(chǔ)。最典型的例子是：三大主糧作物水稻、小麥和玉米，目前養(yǎng)活了數(shù)十億人。這些谷物分別獨(dú)立起源于東亞、中東和中美洲，然后傳播到世界各地，表明這些作物對(duì)人類(lèi)社會(huì)具有廣泛的價(jià)值。
馴化的作物與其野生祖先存在遺傳差異。人類(lèi)在尋求食物的生產(chǎn)活動(dòng)中，有意識(shí)地馴化植物。植物與易于種植（如，直立的植物結(jié)構(gòu)）、收獲效率（如，在成熟時(shí)減少落粒）和吸引人的味道等特征相關(guān)的等位基因變異被特異地進(jìn)行選擇。在人類(lèi)將這些馴化或半馴化的植物傳播到更廣泛的地理區(qū)域范圍的過(guò)程中，那些具有適合不同環(huán)境（如光照時(shí)間、溫度、水、土壤和微生物）的等位基因變異的植物種群在農(nóng)民的有意種植下規(guī)模逐漸擴(kuò)大。過(guò)去的馴化事件是對(duì)有利的自然變異進(jìn)行固定化，這在栽培物種形成中是一個(gè)緩慢的過(guò)程。例如，根據(jù)考古觀察，水稻、小麥和大麥中僅“減少落粒”這個(gè)表型的固定就經(jīng)歷了千年甚至數(shù)千年。相比之下，現(xiàn)代育種中的人工選擇更加高效，水稻和小麥中半矮化等位基因的固定化僅用了幾十年時(shí)間。植物遺傳學(xué)和育種者需要追蹤作物馴化和育種過(guò)程中的關(guān)鍵分子變化，以便指導(dǎo)作物的進(jìn)一步改良或以更快捷的方式從頭馴化野生植物，因?yàn)檫z傳育種遵循相同的原則——尋找或創(chuàng)制多樣化的等位基因，之后進(jìn)行自然或人工選擇。
人類(lèi)在確保充足的糧食供應(yīng)方面，仍面臨多重挑戰(zhàn)。其中包括人口增長(zhǎng)、耕地和清潔水的不足、氣候變化、環(huán)境污染以及不可預(yù)測(cè)的其他危機(jī)，如當(dāng)前的COVID-19大流行。保障全球糧食安全需要不斷改進(jìn)植物育種科技。基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了作物馴化分子基礎(chǔ)的研究。在過(guò)去的幾年里，基于解析和操縱植物基因組方面的科技的飛速進(jìn)展，包括讀取（各種組學(xué)技術(shù)）、解讀（大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)）和編輯改造（CRISPR-Cas9）等，在作物馴化和育種領(lǐng)域促成了諸多新的概念和發(fā)現(xiàn)。新概念和新發(fā)現(xiàn)在作物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括新等位基因甚至新基因的基因工程，將加快未來(lái)育種的速度。本文總結(jié)了基因組學(xué)、群體遺傳學(xué)、遺傳圖譜和功能基因組學(xué)在該領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展，并展望****未來(lái)****。
圖1 | 作物馴化和改良的遺傳方法。在解析基因組過(guò)程中，高通量技術(shù)的出現(xiàn)生成了大量組學(xué)數(shù)據(jù)。通過(guò)整合組學(xué)數(shù)據(jù)和各種遺傳分析方法，可以揭示潛在的機(jī)制，包括識(shí)別馴化和改良相關(guān)基因及其調(diào)控途徑。用于基因編輯的工具，如CRISPR-Cas9和合成生物學(xué)，將以高效的方式用于作物重新馴化和育種。
2 作物參考基因組測(cè)序
作物馴化和改良的遺傳研究在很大程度上非常依賴(lài)相關(guān)植物物種的高質(zhì)量參考基因組序列。在過(guò)去20年里，已經(jīng)有數(shù)百種植物完成了測(cè)序、參考基因組組裝，其中大部分已經(jīng)達(dá)到染色體水平。作物基因組的爆炸式發(fā)展很大程度上歸功于基因組分析中測(cè)序技術(shù)和相關(guān)算法的快速發(fā)展。目前，能夠測(cè)到較長(zhǎng)的序列(通常>10kb)的第三代測(cè)序(TGS)在生成作物參考基因組方面幾乎完全取代NGS(短序列的大規(guī)模測(cè)序，讀長(zhǎng)通常為150-800bp)。具體來(lái)說(shuō)，PacBio高保真測(cè)序所使用的CCS(circular consensus sequencing)測(cè)序技術(shù)能夠讀取準(zhǔn)確讀高達(dá)99.8%、平均長(zhǎng)度為13.5kb的序列信息。此外，盡管納米孔(Nanopore)測(cè)序技術(shù)的堿基準(zhǔn)確度較低(約90%)存在缺陷，但其讀取長(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)(平均>20kb，最大長(zhǎng)度超過(guò)2Mb)使該技術(shù)頗具吸引力。雖然簡(jiǎn)單地使用Pacbio高保真測(cè)序或納米孔長(zhǎng)片段測(cè)序即可實(shí)現(xiàn)高連續(xù)性的基因組組裝，但結(jié)合“合成長(zhǎng)讀取技術(shù)”(例如，10xGenomics、Hi-C和Bionano光學(xué)圖譜分析系統(tǒng))可以減少組裝錯(cuò)誤、能更好地將序列定位到motif、組裝到染色體上。除了測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，研究人員還開(kāi)發(fā)了許多算法和工具包，用于從頭組裝基因組，包括Canu、FALCON、Wtdbg2、NECAT和Hifiasm等，這些工具提高了序列組裝的準(zhǔn)確性并使獲得的參考基因組的缺口更少。
最近，在應(yīng)用這些工具的基礎(chǔ)上，許多作物的基因組組裝得到了更新升級(jí)。例如，玉米、小麥、馬鈴薯、棉花和花生。此外，最近，已經(jīng)有研究者著力構(gòu)建無(wú)缺口的端粒到端粒(T2T)參考基因組，這為被稱(chēng)為“暗物質(zhì)”的染色體區(qū)域（例如，著絲粒和大型重復(fù)區(qū)域）的解析提供了新的見(jiàn)解。例如song等人組裝了兩個(gè)水稻品種的無(wú)缺口基因組，是作物(玉米)中組裝的第一個(gè)無(wú)缺口基因組；在玉米中，Liu等人組裝了兩個(gè)染色體水平的無(wú)缺口基因組，揭示了旋鈕狀重復(fù)(knob repeats)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
同源多倍體作物基因組由于亞基因組的極高相似性，解析難度較高。為了解決重建同源多倍體基因組的問(wèn)題，Zhang等人開(kāi)發(fā)了一種基于Hi-C的支架算法(All-HiC)，該算法能夠?yàn)槎啾扼w基因組構(gòu)建等位基因的識(shí)別、染色體規(guī)模的組裝提供便利。該方法成功地應(yīng)用于組裝復(fù)雜的基因組，如同源四倍體甘蔗和同源四倍體紫花苜蓿。此外，已經(jīng)設(shè)計(jì)了幾種遺傳方法用于構(gòu)建染色體單倍型，例如三重組合、配子組合和重組后代的分離群體的基因分型。值得注意的是，基因組同線性分析表明，在同源多倍體物種的同源染色體之間可以檢測(cè)到大量結(jié)構(gòu)變異(SV)，如大片段倒位等。
在“白金級(jí)”的作物基因組解析后，研究者不僅可以發(fā)現(xiàn)功能基因，還可以發(fā)現(xiàn)基因組變異。值得注意的是，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單地基于基因組序列即可預(yù)測(cè)到開(kāi)放染色質(zhì)、組蛋白標(biāo)記和轉(zhuǎn)錄豐度等許多組學(xué)特征，暗示基因組中仍有大量信息有待探索、解析。例如，在玉米中，Zhou等人構(gòu)建了一個(gè)模型，僅根據(jù)基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近確定的基序即可預(yù)測(cè)基因在響應(yīng)熱應(yīng)激時(shí)的表達(dá)趨勢(shì)。對(duì)25個(gè)玉米組裝基因組中具有順式調(diào)節(jié)變異的基因的進(jìn)一步分析表明，SV可能引起轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的存在或缺失，從而引起其應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生改變。
3 從單一參考基因組到泛基因組
隨著測(cè)序和生物信息學(xué)的升級(jí)，作物群體基因組學(xué)正在從單一參考重測(cè)序方法轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性泛基因組方法。最近又出現(xiàn)了圖形泛基因組新方法。對(duì)于單一參考基因組的重測(cè)序方法，變異的識(shí)別高度依賴(lài)于序列相似性，從而將NGS短片段定位到參考基因組上，故而難以避免來(lái)自高度多態(tài)性區(qū)域的遺傳變異的丟失。泛基因組是指存在于一個(gè)研究物種中的基因組序列的總和。早期的線性泛基因組由多個(gè)基因組組裝或參考基因組與未能比對(duì)上的序列數(shù)據(jù)的附加序列的合并、組裝組成。與線性泛基因組相比，基于圖的基因組可以在將來(lái)自目標(biāo)物種的多個(gè)基因組的復(fù)雜信息整合到同一個(gè)圖中，并且可以用于后續(xù)的種群遺傳分析。
泛基因組減少了參考偏差并涵蓋了更多的變異信息，有利于下游遺傳分析。特別是，SV通常富集在復(fù)雜的基因組區(qū)域，因此可以使用基于組裝的變體調(diào)用策略以準(zhǔn)確識(shí)別。相對(duì)而言，基于單一參考基因組、重測(cè)序獲得的結(jié)果因?yàn)槲幢葘?duì)成功的短序列及其組裝通常準(zhǔn)確度較低。
許多作物中均已構(gòu)建泛基因組(圖2A)。基于20個(gè)品種的染色體水平基因組組裝構(gòu)建的大麥泛基因組，極大地促進(jìn)了大麥遺傳學(xué)研究和育種。泛基因組中發(fā)現(xiàn)了大量的Mb堿基的倒位，其中一些被發(fā)現(xiàn)與最近的突變育種和適應(yīng)性相關(guān)。在番茄中，Gao等人利用構(gòu)建的泛基因組在風(fēng)味相關(guān)基因TomloxC的啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)了一種罕見(jiàn)的調(diào)節(jié)因子變異。Alonge等人在不同的番茄品系中捕獲了238,490個(gè)SV，其中大量與基因劑量和表達(dá)水平的改變相關(guān)。在大豆研究中，構(gòu)建了基于圖的高質(zhì)量泛基因組，用作對(duì)整個(gè)大豆種群的SV進(jìn)行基因分型的參考。基于這些SV的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)解析了一個(gè)10-kb的SV，它可能與種子是否具有光澤相關(guān)的基因相關(guān)。在玉米中，Hufford等人從頭組裝了26個(gè)不同系的基因組，用于嵌套關(guān)聯(lián)(NAM)作圖，提高了NAM中遺傳作圖的能力。在水稻中，Qin等人使用基于圖形的SNP和SV基因分型預(yù)估出17.5%的SV與相鄰SNP的連鎖程度較低，表明有很大比例的隱藏遺傳變異尚待探索。在番茄中也觀察到類(lèi)似的現(xiàn)象，即SV與相鄰SNP的連鎖程度低。當(dāng)將由番茄泛基因組圖譜中鑒定的SV納入考慮時(shí)，估計(jì)的遺傳力增加了24%。盡管泛基因組正在成為作物基因組學(xué)研究的新參考信息，但它們相關(guān)的基因組注釋情況(例如基因和轉(zhuǎn)座因子注釋)和基因組實(shí)用性(例如泛基因組瀏覽器和數(shù)據(jù)庫(kù))仍有待開(kāi)發(fā)，以更好地支持作物遺傳研究和育種。
4 作物群體基因組學(xué)
除了側(cè)重于盡可能全面地解析基因組變異的泛基因組學(xué)，群體基因組學(xué)更關(guān)注解釋這些變異的進(jìn)化因素。在植物馴化過(guò)程中，基因漂移和人工選擇等進(jìn)化力量驅(qū)動(dòng)了顯著的基因組變化。根據(jù)基因組特征(包括多樣性減少、頻譜的偏移、單倍型純合性擴(kuò)展和顯著的等位基因頻率分化)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于檢測(cè)人工選擇的方法。該方法是基于從基因組區(qū)域的中性變異部分識(shí)別多態(tài)性模式特征發(fā)生的變化。同時(shí)，研究者也越來(lái)越多的注意到許多農(nóng)作物起源復(fù)雜，需要考古基因組學(xué)的更多證據(jù)。深入研究野生種群亞結(jié)構(gòu)的多樣性、不同野生亞種群對(duì)栽培群體的相對(duì)遺傳貢獻(xiàn)率、多樣性下降的時(shí)間等因素，有助于更好地解析馴化過(guò)程和人類(lèi)選擇所針對(duì)的基因。
圖2 | 過(guò)去十年中作物群體基因組學(xué)的進(jìn)展。A|顯示了每種作物在重新測(cè)序(主要通過(guò)短讀測(cè)序技術(shù))或泛基因組構(gòu)建方法測(cè)序(主要通過(guò)長(zhǎng)讀測(cè)序)中的基因組覆蓋率。B|通過(guò)對(duì)栽培植物及其野生祖先的全基因組重測(cè)序檢測(cè)到的馴化Sweep區(qū)通常與遺傳作圖信號(hào)或克隆的馴化基因重疊(提供了作物中馴化基因的典型示例)。泛基因組有助于確定導(dǎo)致馴化變異的原因(以玉米tb1基因?yàn)槭疽鈭D)，并追蹤群體的進(jìn)化過(guò)程。整合多組學(xué)技術(shù)的方法將進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究。
深度學(xué)習(xí)也已應(yīng)用于進(jìn)化基因組學(xué)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些方法用于檢測(cè)選擇特征。例如，開(kāi)發(fā)了使用祖先重組圖(SIA)的選擇推理，來(lái)研究祖先重組圖的特征，并推斷有益變異的選擇系數(shù)和等位基因頻率變化過(guò)程。值得注意的是，這種基于深度學(xué)習(xí)的方法不僅可以檢測(cè)和量化硬清掃(一個(gè)有益等位基因迅速增加其在整群體中的頻率，其關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的變異急劇減少)，還可以檢測(cè)和量化軟清掃(多個(gè)有益等位基因同時(shí)被選擇并掃描群體)具有良好的表現(xiàn)。
當(dāng)與“自上而下”實(shí)驗(yàn)(例如數(shù)量性狀基因座定位作圖QTL)相結(jié)合時(shí)，這些“自下而上”的方法變得更加強(qiáng)大，能確定負(fù)責(zé)馴化相關(guān)性狀的基因，水稻、玉米、大豆和番茄等研究就是很好的例證。然而，值得注意的是，有許多基因座具有很強(qiáng)的人工選擇信號(hào)，但與任何已克隆的馴化基因或遺傳作圖信號(hào)無(wú)重疊。這些選擇信號(hào)可能是地理遺傳特征，也可能是在栽培實(shí)踐開(kāi)始之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)由未知的選擇壓力驅(qū)動(dòng)的。此外，許多可能與人類(lèi)的無(wú)意識(shí)選擇有關(guān)的基因或功能元素仍有待探索。
群體遺傳學(xué)除了研究二倍體作物外，還研究了大量多倍體作物，因?yàn)?0%的栽培作物都屬于多倍體。多倍體的遺傳后果包括遺傳多樣性和雜合程度的提高，以及對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)性、可塑性的提高。Salman-Minkov等于2016年注意到與野生近緣種相比，作物物種中多倍體比例過(guò)高，并提出了“馴化后多倍化”的概念作為一個(gè)合理的假設(shè)：作物多倍化的遺傳結(jié)果促進(jìn)了它的成功馴化。與二倍體作物相比，在棉花、油菜和小麥等多種多倍體作物中，觀察到了一些新的遺傳模式，包括不對(duì)稱(chēng)的亞基因組選擇等。對(duì)于無(wú)性繁殖的作物，如葡萄、木薯和馬鈴薯，盡管馴化已經(jīng)改變了重要的農(nóng)藝相關(guān)途徑，但在馴化過(guò)程中，遺傳漂變和育種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了有害突變的積累。值得注意的是，在雜合狀態(tài)下，越來(lái)越多的有害等位基因被掩蓋，因此需要在未來(lái)的育種計(jì)劃中清除這些突變。
廣泛的作物群體比較基因組學(xué)的進(jìn)展正在促使研究人員分析作物適應(yīng)人類(lèi)選擇的進(jìn)化限制。盡管通常發(fā)現(xiàn)相似性狀受不同基因控制，但不同作物品種在馴化過(guò)程中仍存在許多趨同進(jìn)化的案例。Oryza glaberrima(非洲栽培稻)和O. sativa(亞洲栽培稻)分別由非洲和亞洲古代農(nóng)民獨(dú)立馴化，它們具有一些類(lèi)似的“馴化綜合癥”，例如減少落粒性和的植物結(jié)構(gòu)更直立化。Wang等人(2014年)和Wu等人(2017年)確定了亞洲栽培稻中已知的控制種子落粒性和植物結(jié)構(gòu)等馴化相關(guān)性狀的調(diào)控基因，這也是非洲水稻的人工選擇目標(biāo)。此外，選擇還作用于亞洲和非洲水稻中的PROG1基因。葫蘆中的非苦味是人類(lèi)偏好的，在不同的葫蘆品種培養(yǎng)中同步選擇了該性狀。Zhou等人(2016年)發(fā)現(xiàn)了一組調(diào)節(jié)苦味化合物(葫蘆素)生物合成的轉(zhuǎn)錄因子，并發(fā)現(xiàn)在不同的野生葫蘆品種馴化過(guò)程中，可能針對(duì)這些調(diào)節(jié)因子做出了趨同選擇。種子休眠的喪失也是跨多種作物的共同馴化性狀。在大豆中克隆了控制種子休眠的stay-green G基因，并在水稻中發(fā)現(xiàn)了其具有保守功能的同源基因。控制大麥芒光滑度的遺傳基礎(chǔ)被確定為與水稻LABA1基因同源，這兩種基因都被人工選擇之下、消除芒倒刺形成。鑒于禾本科中的許多物種是被人類(lèi)馴化以提供碳水化合物的，Zhou等(2020年)收集分析了水稻、玉米和大麥中鑒定的選擇相關(guān)的掃描區(qū)域的基因，發(fā)現(xiàn)它們與小麥同源的基因區(qū)域也富含馴化相關(guān)特征，這表明人類(lèi)的選擇導(dǎo)致谷類(lèi)作物具備趨同選擇的特征。
5 選擇相關(guān)的重要基因
在過(guò)去的二十年里，植物遺傳學(xué)和進(jìn)化研究在識(shí)別人類(lèi)選擇相關(guān)基因方面已經(jīng)做出了巨大的努力(圖2B)。在馴化和現(xiàn)代育種過(guò)程中被選擇的基因分別稱(chēng)為馴化和改良基因。一般來(lái)說(shuō)，相關(guān)性狀表現(xiàn)出連續(xù)的表型變異，并由多個(gè)數(shù)量性狀基因(QTG)控制，這些基因可以通過(guò)基于圖譜的克隆或GWAS來(lái)識(shí)別。此外，通過(guò)整合群體遺傳學(xué)和多組學(xué)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)探索研究有關(guān)這些基因的選擇過(guò)程和功能的更多細(xì)節(jié)。
馴化是人類(lèi)對(duì)植物進(jìn)行選擇的初始階段。一些影響較大的QTG在馴化過(guò)程中被強(qiáng)烈選擇并在作物基因組中固定下來(lái)。例如，種子落粒性、植物結(jié)構(gòu)和花序結(jié)構(gòu)是作物最重要的馴化目標(biāo)。在幾種主要谷物中，已經(jīng)鑒定到控制這些性狀的QTGs，例如tb1、PROG1/RPAD、SHAT1-5和Brt等。除了這些QTGs，其他與種子相關(guān)性狀有關(guān)的QTGs(包括種子休眠、芒、種殼顏色、種皮顏色、裸粒和味道等)也是馴化的主要目標(biāo)。在水果和蔬菜作物中，味道和風(fēng)味是重要的馴化目標(biāo)。例如，黃瓜中Bt基因的選擇產(chǎn)生了不苦的葫蘆科瓜果，而西瓜中ClAGA2的選擇產(chǎn)生了甜果肉。
在少數(shù)特定地區(qū)發(fā)生的馴化后，作物不斷得到改良并在全球范圍內(nèi)廣泛傳播。在擴(kuò)散期間，在不同地區(qū)農(nóng)民繼續(xù)進(jìn)行人工選擇，以使作物適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。在光周期敏感作物中，光周期相關(guān)基因是主要選擇目標(biāo)，幾乎所有主要的開(kāi)花相關(guān)QTG都經(jīng)歷了適度程度的人工選擇。在水稻中，選擇了Ghd7、DTH8、Ghd7.1和Hd1，使得原始的短日照植物也能在高緯度地區(qū)長(zhǎng)日照條件下開(kāi)花。同樣在玉米中對(duì)ZCN8、ZmCCT和ZmCCT9進(jìn)行選擇；在大豆中J、Tof11和Tof12被選擇，促進(jìn)了它們?cè)跓釒Щ驕貛У貐^(qū)的傳播、分布。對(duì)光周期相關(guān)QTG的選擇促進(jìn)了水稻、玉米和大豆的種植范圍擴(kuò)展到全球。
在現(xiàn)代育種中，作物產(chǎn)量通常是最重要的目標(biāo)之一。對(duì)fw2.2、lcn2.1、fw3.2和其他QTGs的選擇促使現(xiàn)代番茄果實(shí)的大小比櫻桃番茄增加了10倍以上。雜交育種已被廣泛用于許多作物，利用雜種優(yōu)勢(shì)提高產(chǎn)量。在雜交育種過(guò)程中涉及和選擇了許多雜種優(yōu)勢(shì)基因和雜交不育基因。數(shù)量遺傳學(xué)和群體遺傳學(xué)分析表明，在雜交水稻中集中選擇了幾個(gè)與開(kāi)花時(shí)間和植株結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因，促成了產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)。特別是，基于開(kāi)花時(shí)間的SFT和基于植物結(jié)構(gòu)的IPA1可能分別是番茄和水稻中重要的雜種優(yōu)勢(shì)相關(guān)基因。鑒定水稻中的S5和qHMS7等雜種不育基因有助于打破生殖障礙，并有助于利用遠(yuǎn)緣雜交獲得雜種優(yōu)勢(shì)。
總體而言，QTGs的馴化和改良為雜交育種提供了有價(jià)值的信息，也促進(jìn)人們對(duì)作物微進(jìn)化的一般機(jī)制的理解，以及對(duì)未來(lái)育種的實(shí)質(zhì)性目標(biāo)的理解。QTG相關(guān)信息和潛在的分子機(jī)制也為新作物的從頭馴化鋪平了道路。
6 連鎖拖累和上位性
在作物育種中，種質(zhì)資源的收集經(jīng)常被用作寶貴的資源，但連鎖累贅是一個(gè)常見(jiàn)的障礙。連鎖累贅(也稱(chēng)為遺傳累贅)是指與育種者試圖滲入的基因緊密相連的不良基因。基于水稻數(shù)量性狀圖譜，在約25%的水稻基因組中都檢測(cè)到潛在的連鎖累贅。水稻有兩種主要的連鎖累贅：一種是與稀有而有價(jià)值的基因緊密連鎖的劣等基因，另一種是在兩個(gè)亞種中出現(xiàn)高度分化的相鄰基因。在番茄抗病育種中，使用了許多野生等位基因，如 Mi-1、Ty-1和Sw-5，大量外來(lái)片段隨著這些野生基因滲入到這些抗病品種中。野生等位基因的連鎖累贅是固定的，難以打破，可能是染色體倒位造成的。水稻和番茄的研究結(jié)果表明連鎖累贅可能是野生種質(zhì)資源利用中的一個(gè)常見(jiàn)障礙，因?yàn)橐吧参锘蚪M可能包含許多與未馴化基因相關(guān)的所需抗性基因。因此，需要特意打破這種聯(lián)系：滲入理想的基因，避免緊密連鎖的不良基因。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，連鎖累贅的基因組格局、高密度基因分型的使用以及智能育種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都需要在育種群體中追蹤重組事件，以排除高度連鎖和劣等基因，如基于不同二倍體馬鈴薯基因組組裝的大型倒位圖的構(gòu)建，為排除潛在的連鎖拖拽提供了重要參考信息。特別是，CRISPR-Cas9技術(shù)可用于重組植物染色體，包括介導(dǎo)目標(biāo)區(qū)域的大規(guī)模倒位或誘導(dǎo)異源染色體間染色體易位等，都有可能打破或修復(fù)植物育種中的遺傳連鎖。
過(guò)去馴化導(dǎo)致的一些作物存在一種特殊類(lèi)型的連鎖累贅，位于Sweep區(qū)。基于表型的馴化在基因組空間分析方面存在一些缺陷。馴化選擇了優(yōu)選的等位基因時(shí)，不可避免地會(huì)選擇一些額外的、與目標(biāo)等位基因高度連鎖的基因組片段，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“搭便車(chē)”。在西紅柿中，Sweep區(qū)可達(dá)111Mb，占基因組的14.2%，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。例如，fw11.3的基于果實(shí)質(zhì)量的選擇導(dǎo)致數(shù)十種代謝物發(fā)生變化，這在很大程度上是由sweep區(qū)域內(nèi)的連鎖基因引起的。這些sweep顯著縮小了進(jìn)一步改進(jìn)的空間。如今，基于基因的選擇和基因組編輯可以提供新的策略來(lái)釋放這些在馴化中產(chǎn)生的基因組空間。
除了連鎖累贅外，上位性也存在類(lèi)似的情況。將兩個(gè)靶基因放在一起對(duì)表型的影響效果并不總是像做加法那樣簡(jiǎn)單。在番茄研究中，由于兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子之間的遺傳相互作用，將兩個(gè)獨(dú)立選擇中表現(xiàn)有益的基因疊加在一起，會(huì)導(dǎo)致分枝和不育等不良表型，這表明育種中還需要繞過(guò)負(fù)上位性基因。不幸的是，在大多數(shù)作物中，目前關(guān)于上位性相互作用的信息非常有限。更多全面檢測(cè)和定量評(píng)估作物基因組中這些上位性相互作用的遺傳學(xué)研究對(duì)于指導(dǎo)作物育種將是大有裨益的。
7 創(chuàng)制新等位基因
過(guò)去的馴化依賴(lài)于人類(lèi)長(zhǎng)期艱苦的選擇、適合作物種植中自然發(fā)生的突變。現(xiàn)在基因組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和重要作物基因的發(fā)現(xiàn)加速了育種選擇并促進(jìn)研究者設(shè)計(jì)理想的作物。基因組編輯，主要使用CRISPR-Cas9技術(shù)這個(gè)強(qiáng)大的工具，有效地為作物育種目標(biāo)操縱各種等位基因，包括劣質(zhì)基因的敲除和調(diào)控基因的微調(diào)。在感興趣基因的編碼區(qū)內(nèi)進(jìn)行移碼插入缺失突變，是基因組編輯中最常見(jiàn)的操作。這種敲除突變體可能會(huì)出現(xiàn)極端的表型變化，這在基因功能驗(yàn)證中很有價(jià)值。但是，對(duì)于遺傳改良，重要基因的功能喪失等位基因常常不能產(chǎn)生理想的表型。許多馴化突變屬于“弱等位基因”或“數(shù)量等位基因”類(lèi)型。例如，幾乎所有栽培稻種都含有sh4這種減少種子落粒性的缺陷的等位基因——馴化過(guò)程中，第一個(gè)外顯子中發(fā)生G到T突變并被固定下來(lái)，sh4的基因功能在栽培水稻中并未完全喪失，而sh4的移碼突變體則完全消除了落粒性相關(guān)的發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)生完全不落粒表型。
在蛋白質(zhì)編碼區(qū)進(jìn)行堿基編輯是一種創(chuàng)建新等位基因的方法。例如，編碼顆粒結(jié)合淀粉合酶I的Waxy(Wx)是影響谷物食用和烹飪質(zhì)量的主要水稻基因。通過(guò)對(duì)編碼區(qū)進(jìn)行精確的堿基編輯、產(chǎn)生多個(gè)新Wx等位基因，達(dá)到了微調(diào)稻谷中的直鏈淀粉含量的目的。類(lèi)似的方法已應(yīng)用于OsACC1和OsALS1的人工進(jìn)化，以提高植物對(duì)除草劑的抗性。在CRISPR-Cas9基因編輯中使用多個(gè)目標(biāo)引物、在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)進(jìn)行刪除編輯(Indel)，是另一種生成多種等位基因的方法，可以通過(guò)編輯順式元件來(lái)改變基因表達(dá)水平或模式。這種方法首先在西紅柿中進(jìn)行了嘗試，產(chǎn)生了許多啟動(dòng)子變體，用于果實(shí)大小、花序分枝和植物結(jié)構(gòu)的遺傳改良。后續(xù)在其他作物上的成功應(yīng)用表明它是促進(jìn)農(nóng)藝性狀改良的有效方法。
基因組編輯也能夠產(chǎn)生大的缺失。在小麥中，TaMLO1基因敲除品系表現(xiàn)出對(duì)白粉病的廣譜抗性，但存在生長(zhǎng)缺陷。而一個(gè)304-kb的缺失則可導(dǎo)致TaTMT3B激活、保持植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量，同時(shí)賦予強(qiáng)大的抗性。因此，同時(shí)編輯TaMLO1基因和所需的大缺失可以在沒(méi)有影響生長(zhǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)抗病性。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了基因組編輯是植物育種中實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新的有力策略。
8 從頭馴化和基因組設(shè)計(jì)
栽培作物是從生長(zhǎng)在人類(lèi)文明起源附近的野生植物中馴化而來(lái)的，而在未來(lái)，有可能使用現(xiàn)代工具對(duì)更多的野生物種進(jìn)行馴化。由于許多馴化基因的鑒定和新工具的開(kāi)發(fā)，基因組規(guī)模的從頭馴化在技術(shù)上變得可行。以基因組工程為目標(biāo)，通過(guò)同時(shí)操縱多個(gè)基因、從頭馴化野生植物或重新馴化現(xiàn)有作物的野生祖先，正在使用基因組編輯、基因組設(shè)計(jì)或合成生物學(xué)等方法實(shí)施(圖3)。CRISPR-Cas9技術(shù)在從頭馴化中非常強(qiáng)大。近年來(lái)，基于圖位克隆和GWAS，馴化相關(guān)基因的知識(shí)得到了極大的擴(kuò)展。此外，如上所述，已經(jīng)確定了幾個(gè)重要的基因、揭示了作物馴化中的趨同進(jìn)化模式。因此，隨著發(fā)現(xiàn)不同植物中的同源基因通常控制相同的性狀，編輯關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中的基因可能會(huì)在重新馴化中發(fā)揮很好的作用。事實(shí)上，通過(guò)在野生植物中進(jìn)行基因組篩選、編輯多個(gè)馴化基因的同源基因，已經(jīng)證明了這種策略的有效性(圖3A)。例如孤生作物、地櫻桃和野生番茄等，因?yàn)樗鼈冊(cè)诳共⌒院湍望}性方面的優(yōu)勢(shì)而被選中用于人工馴化。
圖3 | 通過(guò)同時(shí)操縱多個(gè)基因進(jìn)行作物再馴化和育種的基因組工程方法。A|對(duì)馴化基因進(jìn)行基因組編輯，以快速馴化四倍體野生稻、野生番茄圖中顯示了基因組編輯中使用的基因。B|基因組設(shè)計(jì)策略用于創(chuàng)制二倍體馬鈴薯F1雜種。圓圈內(nèi)的標(biāo)簽“3”和無(wú)圓圈的“3”分別表示自交和雜交。SI和DM分別是自交不親和和有害突變的縮寫(xiě)。C|作為對(duì)未來(lái)的展望，C4植物玉米光合作用的模塊通過(guò)合成生物學(xué)途徑提高大豆的產(chǎn)量。
一個(gè)單子葉植物的例子是四倍體野生稻，它被設(shè)計(jì)用于創(chuàng)造新的谷類(lèi)作物，以獲得更大的生物量、對(duì)氣候變化適應(yīng)性更強(qiáng)。異源四倍體野生稻(Oryza alta)是一種來(lái)自南美洲的野生稻種，含有許多可用于農(nóng)業(yè)的表型。為便于野生植物的從頭馴化，已經(jīng)建立了高效的組織培養(yǎng)和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、組裝成了具有高質(zhì)量基因注釋的染色體級(jí)基因組。在栽培稻中，已鑒定出許多馴化或改良相關(guān)基因。從野生稻基因組中搜索了六種重要農(nóng)藝性狀基因的同源基因，并選擇基于CRISPR-Cas9的誘變。研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)用于基因組編輯的基因在栽培稻和野生稻之間相當(dāng)保守，和預(yù)期一致，這些性狀在可以被迅速馴化。這些研究表明，野生植物可以被高效地成功轉(zhuǎn)化為類(lèi)作物物種，這為利用野生近緣種和未馴化植物中的無(wú)數(shù)基因打開(kāi)了大門(mén)，也為未來(lái)的植物育種計(jì)劃賦予了重要的特征。雜交馬鈴薯育種，將其從無(wú)性繁殖的四倍體作物改造成二倍體種子作物，將徹底改變馬鈴薯產(chǎn)業(yè)。自交不親和和近交衰退是阻礙雜交馬鈴薯育種的兩個(gè)主要障礙。自交不親和的障礙是通過(guò)鑒定馬鈴薯中的自交親和基因來(lái)解決的。由有害的隱性突變引起的近交衰退則是馬鈴薯育種的第二大障礙，是更大的挑戰(zhàn)，但其中的遺傳基礎(chǔ)已被破譯。這些有害突變?cè)隈R鈴薯不同品系中具有品系特異性，表明具有不同遺傳背景的自交系之間的雜交將掩蓋大多數(shù)有害等位基因突變的不良影響。最近的一項(xiàng)研究中，通過(guò)基因組編輯產(chǎn)生了二倍體馬鈴薯的自交系，并使用基因組輔助選擇來(lái)識(shí)別和清除這些主效應(yīng)有害突變(圖3B)。這種策略通過(guò)基因組設(shè)計(jì)，可以將馬鈴薯育種從緩慢的、非累積的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俚哪Ｊ剑瑥亩箲?yīng)用F1代雜交種進(jìn)行馬鈴薯育種成為可能。對(duì)水稻的研究方向則與馬鈴薯的策略完全相反——使雜交水稻變成為克隆繁殖的作物。水稻中同時(shí)針對(duì)幾個(gè)減數(shù)分裂和受精基因進(jìn)行遺傳工程操作可以導(dǎo)致通過(guò)孤雌生殖途徑進(jìn)行無(wú)性繁殖，這可能使水稻雜交系能夠產(chǎn)生具備雜種優(yōu)勢(shì)的種子。這種策略可以改進(jìn)并擴(kuò)展到其他作物，在后代中，繼續(xù)保持雜交F1代中的高產(chǎn)量特征。合成生物學(xué)的最新進(jìn)展也為植物基因組設(shè)計(jì)新的生物學(xué)功能提供了強(qiáng)大的工具(圖3C)。例如，將新的光呼吸旁路引入水稻葉綠體，或在玉米中過(guò)表達(dá)Rubisco大小亞基及其組裝伴侶RUBISCO裝配因子(RAF1)作為完整結(jié)構(gòu)，均極大地提高了作物的光合效率和糧食產(chǎn)量。這一策略也已應(yīng)用于提高作物的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量。例如，通過(guò)對(duì)類(lèi)胡蘿卜素途徑進(jìn)行復(fù)雜的工程改造，在番茄果實(shí)中產(chǎn)生了一種可再生的高價(jià)值色素“酮類(lèi)胡蘿卜素”。在另一項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一種新的代謝途徑并將其添加到水稻基因組中，使用包含8個(gè)花青素相關(guān)基因的重組載體，最終，創(chuàng)制了具有花青素含量高并具有抗氧化活性的胚乳的水稻新種質(zhì)。合成生物學(xué)在作物害蟲(chóng)防治方面也非常有效。在最近的一項(xiàng)工作中，通過(guò)利用煙草中的遺傳種群和多組學(xué)方法，從葉片中鑒定出一種對(duì)葉蟬害蟲(chóng)具有抗性的揮發(fā)性化合物。解析這種化合物的生物合成途徑后，設(shè)計(jì)了合成生物學(xué)方法來(lái)重建番茄和蠶豆中的化學(xué)物質(zhì)以進(jìn)行作物植保。此外，隨著對(duì)天然橡膠生物合成機(jī)制的了解，合成生物學(xué)可能會(huì)在改進(jìn)或創(chuàng)造產(chǎn)橡膠植物方面發(fā)揮重要作用。這些展示了合成生物學(xué)在作物設(shè)計(jì)育種中創(chuàng)制特異模塊方面的潛在應(yīng)用。
展望
廣泛收集不同遺傳資源對(duì)作物遺傳改良具有重要意義。遺傳學(xué)研究表明，馴化相關(guān)等位基因也存在于野生種群中，但頻率較低且分散在不同的種質(zhì)中。馴化和現(xiàn)代育種都是通過(guò)尋找有益等位基因、富集多個(gè)目標(biāo)等位基因加速進(jìn)化的過(guò)程。野生資源以及適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的地方品種均具有豐富的遺傳多樣性，并且包含許多天然的、對(duì)作物栽培有益的等位基因。目前，世界各地的種質(zhì)資源庫(kù)(通常稱(chēng)為基因庫(kù))中保存著數(shù)百萬(wàn)種植物種質(zhì)。正如大麥研究中證明的，基因庫(kù)基因組學(xué)勾勒出了未來(lái)利用這些種質(zhì)的方向。隨著測(cè)序成本的不斷降低，幾乎可以對(duì)基因庫(kù)中的所有種質(zhì)進(jìn)行全基因組低覆蓋測(cè)序，并對(duì)所有核心種質(zhì)進(jìn)行高質(zhì)量的基因組測(cè)序。通過(guò)對(duì)植物遺傳資源進(jìn)行系統(tǒng)的基因組數(shù)據(jù)分析、結(jié)合表型數(shù)據(jù)分析，研究人員將能夠解析出適應(yīng)氣候變化和環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵等位基因。此外，由此產(chǎn)生的基因組-表型數(shù)據(jù)庫(kù)，以及數(shù)據(jù)和種子，可以通過(guò)共享使用協(xié)議，在全球范圍內(nèi)用于基因組設(shè)計(jì)育種，共同解決全球糧食安全問(wèn)題。植物馴化和育種有賴(lài)于通過(guò)染色體重組將來(lái)自不同種質(zhì)的多個(gè)有利等位基因進(jìn)行整合或者創(chuàng)制一個(gè)全新的基因組。盡管一般來(lái)說(shuō)，重組事件并不受控制，但一些調(diào)節(jié)減數(shù)分裂交叉的基因可能具有提高交換數(shù)量的潛力。此外，表觀遺傳修飾有可能改變減數(shù)分裂交換的分布。這些對(duì)于育種者來(lái)說(shuō)是重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛捎谥亟M率低，著絲粒附近的有害突變很難去除。因此，控制重組的工具(增加重組數(shù)量、微調(diào)重組模式)以及其他廣泛使用的育種技術(shù)(例如基因組選擇、單倍體誘導(dǎo)和快速育種)，都將有助于提高作物改良的效率。人工智能(AI)正在成為作物遺傳研究和育種的強(qiáng)大工具，用于精確表型分析和組學(xué)數(shù)據(jù)挖掘。通過(guò)基因組設(shè)計(jì)或基因組編輯定制的新植物需要通過(guò)高通量方法進(jìn)行篩選，以對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行表型分析。人工智能可用于在特定條件下有效選擇復(fù)雜、多變環(huán)境中數(shù)量巨大的育種群體。育種者使用無(wú)人機(jī)(UAV)和各種傳感器來(lái)捕捉田間作物的圖像，可以獲得海量的表型數(shù)據(jù)，以進(jìn)行高效和全面的分類(lèi)。除了用于表型分析，隨著測(cè)序成本的不斷降低和大規(guī)模組學(xué)數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)在可以使用深度學(xué)習(xí)來(lái)挖掘生物信息。現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)模型的擴(kuò)展為探索生物調(diào)控和DNA中解析生物遺傳密碼提供了一個(gè)平臺(tái)。未來(lái)，隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，各種植物的組學(xué)數(shù)據(jù)將用于解析基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)基因編輯，加快植物育種步伐。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，要點(diǎn)就在于解決物種間基因資源互相隔離的局限性，并將不斷增加的新型分子模塊譜添加到目標(biāo)作物中。例如，隨著對(duì)C4光合作用潛在分子機(jī)制的深入了解，可以通過(guò)發(fā)現(xiàn)和重塑控制Kranz發(fā)育、形成及CO2濃縮相關(guān)的關(guān)鍵基因，使C3水稻或C3大豆重新馴化為C4植物(圖3C)。結(jié)合作物的另一個(gè)關(guān)鍵生物過(guò)程固氮模塊，擁有超級(jí)作物的新時(shí)代可能從夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。
