智慧农业前沿技术导论 课件 第4章 作物种质资源信息分析与分子改良

作物种质资源信息分析与分子改良HUAZHONGAGRICULTURALUNIVERSITY1目录CONTENTS第一节作物种质资源收集鉴定第二节作物起源、驯化与传播第三节作物种质资源基因型鉴定第四节作物基因组选择育种第五节作物种植资源的数字信息化第六节推荐阅读第七节思考与讨论目录CONTENTS目录CONTENTS2作物种质资源概念及重要性多样性收集、整理和保护鉴定作物种质资源概念3作物种质资源是指各种作物野生种、半野生种和栽培种的繁殖材料以及利用这些繁殖材料人工创制的各种遗传材料。包括4种类型：本地品种资源；外地品种资源；野生种质资源；人工创造资源。作物种质（cropgermplasm）是指决定作物遗传性状并将遗传信息从亲代传递给子代的遗传物质总称。一、作物种质资源收集鉴定作物种质资源重要性作物种质资源具有不可再生和不可创造性种质资源是作物育种的物质基础关键种质资源能够引起农业产业革命作物种质资源利用潜力巨大作物种质资源概念及重要性多样性收集、整理和保护鉴定国外作物种质资源的多样性4一、作物种质资源收集鉴定中国作物种质资源的多样性中国作物种质资源的物种多样性中国作物种质资源的遗传多样性美国：56万份，85%来自国外；印度：39万份；巴西：29万份。世界种子基因库保存资源93万份，囊括4000个物种。中国作物种质资源的类型或变种多中国作物种质资源的性状变异幅度大我国第一座植物种子博物馆作物种质资源概念及重要性多样性收集、整理和保护鉴定一、作物种质资源收集鉴定5地方品种的全面收集和补充征集第一次从1956年至1957年；第二次从1978年至1983年；第三次是从2015年开始至今。重点作物野生种质资源考察重点地区种质资源考察作物种质资源的保护作物种质资源的异地保存作物种质资源原生境保存种质资源保护作物种质资源概念及重要性多样性收集、整理和保护鉴定一、作物种质资源收集鉴定6作物种质资源农艺性状鉴定种质资源的农艺性状鉴定包括形态特征、产量、品质、抗逆性和抗病虫性等特性。作物种质资源分子鉴定利用常规方法与生物技术相结合，明确优异种质资源的遗传组成，鉴定含有独特优异新基因的种质资源，促进作物育种。主要农作物的起源与驯化作物驯化的特点二、作物起源、驯化与传播7小麦的起源与驯化小麦的起源小麦的驯化过程水稻的起源与驯化水稻的起源水稻的驯化过程主要农作物的起源与驯化作物驯化的特点二、作物起源、驯化与传播8玉米的起源与驯化玉米的起源玉米的驯化过程大豆的起源与驯化大豆的起源大豆的驯化过程主要农作物的起源与驯化作物驯化的特点二、作物起源、驯化与传播9作物驯化与地理起源作物驯化与遗传多样性作物驯化与人工选择区段作物驯化次数和地理起源是影响作物遗传结构、遗传多样性水平及驯化相关性状形成的根本性因子之一。驯化过程中，作物在丢失了大量遗传多样性，形成瓶颈效应；同时，因为突变和基因渐渗等原因又产生了新的遗传多样性。利用群体基因组学理论和方法可以鉴定出符合分化系数（Fst）高、遗传多样性差异显著和不符合中性检验等特点的基因组区段和基因，这些在群体间存在巨大频率变化的区段和基因主要是驯化过程中人工选择的靶点。主要农作物的起源与驯化作物驯化的特点二、作物起源、驯化与传播10作物传播与地方品种形成在传播过程中，由于环境条件发生了改变，自然选择和人工选择使作物基因组经历了第二次较大的变化，由此产生了大量适应当地生态环境和人类生活习惯的地方品种。现代作物育种历史不长，但目的性更强，所形成的现代品种（或品系）携带的目标性状更符合人类当前阶段的需求。强烈的人工选择使遗传多样性从地方品种到现代品种进一步降低，基因组中出现了除驯化相关区域之外的新选择区域。应用基因组学方法全面分析野生近缘种、地方品种、现代品种这些种质资源，可以更清楚地了解不同阶段产生的种质资源的遗传变异和人工选择区段对表型性状的影响。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定11第一类是分子标记技术：简单序列重复（simplesequencerepeat，SSR）单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）第二类是基因组测序（genomesequencing）技术：全基因组测序：小物种简化基因组测序：大物种，测序基因分型（genotypingbysequencing，GBS）第三类是其他测序技术：外显子测序甲基化测序转录组测序（RNA-seq）序列捕获技术作物种质资源的基因型鉴定技术基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定12全基因组关联分析（genomewideassociationstudy，GWAS）是将分布在全基因组范围内的序列变异（主要是单核苷酸多态性，SNP）与目标性状值对应关联分析，筛选与目标性状关联分子标记的方法。全基因组关联分析的优势全基因组关联分析的概念大大缩短了研究时间检测效率高检测的精度高高通量、低成本基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定13全基因组关联分析在水稻研究中的应用科学家已经通过全基因组关联分析鉴定了控制抽穗期的Hd1、控制粒形的GS3和qSW5、控制株高的sd1等主效基因。全基因组关联分析在水稻抗病研究方面也得到应用，鉴定了包含2个已知基因Pia、Pik和1个已知QTL位点Pif，以及2个恶苗病抗性位点，并结合基因功能注释和RNA测序找到了对应的候选基因。盐分是干旱和半干旱地区水稻生产的主要环境限制因素，所以，发掘和利用耐盐基因对提高水稻产量十分重要，已经鉴定了苗期耐盐性的“关键”基因（Os12g0176700），为揭示水稻幼苗耐盐性的分子机制和分子育种提供了可靠数据。全基因组关联分析在作物研究中的应用基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定14全基因组关联分析在作物研究中的应用全基因组关联分析在玉米研究中的应用全基因组关联分析极大地推进了玉米功能基因组学的遗传研究，获得了一系列与产量、发育、抗性相关的候选基因或候选位点。如控制玉米早花性状的ZmCCT基因是感知光周期的重要因子，其表达水平能够显著影响玉米的开花时间。在早花品种中，其5′UTR区域的CACTA型转座元件插入导致启动子区甲基化水平升高。ZmCCT基因的表达水平降低能抑制玉米对光周期的敏感性，促进早花表型的发生，使早花品种能适应高纬度地区的长日照环境。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定15全基因组关联分析在大豆研究中的应用目前我国大豆的产量普遍偏低。因此，发掘和利用大豆有利基因来提高大豆产量是大豆育种家们的研究目标，而全基因组关联分析方法为实现这一目标创造了条件。百粒重、单株荚数等荚粒性状是大豆产量的重要组成因子，通过挖掘优异遗传位点可以进一步提高大豆的产量。当前，已经利用全基因组关联分析方法鉴定到控制大豆产量和品质等性状相关的位点，为大豆优质高产性状分子机制的解析和分子育种的应用提供了理论依据。全基因组关联分析在作物研究中的应用基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定16全基因组关联分析在麦类研究中的应用小麦作为人类的主食之一，其重要农艺性状日渐受到育种家的高度关注。近年来，全基因组关联分析在小麦抗病性研究方面得到广泛运用。小麦斑纹病是一种毁灭性的真菌性疾病，严重影响硬质小麦和面包小麦的产量。因此，利用小麦遗传材料鉴定、发掘和利用斑纹病抗性基因成为控制斑纹病的关键。大麦（Hordeumvulgare）常通过近亲交配产生后代，受到非随机交配及选择过程的影响，导致其群体结构非常复杂。巢式关联群体（nestedassociationmapping，NAM）被应用到大麦重要性状的QTL定位和关键基因分析。目前，结合全基因组关联分析对大麦发育过程（发芽、开花、成熟等）中的相关性状、株高和千粒重等性状已经进行了相关分析，取得较好结果。全基因组关联分析在作物研究中的应用基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定17等位基因（allele）是位于同源染色体的相同位置上具有不同DNA序列形式的基因，不同的等位基因有各自特定的产物和表型。等位基因挖掘工作包括基于基因或基因组序列，利用分子生物学手段从种质资源中鉴定分离等位基因，评估其育种利用价值，明确优异等位变异并提出利用方案。作物种质资源等位基因挖掘基于生态型TILLING的等位基因挖掘基于TILLING开发的用于探究种质资源多态性、鉴定挖掘等位基因的策略，称为生态型TILLING。利用生态型TILLING技术挖掘等位基因，加速鉴定可用于培育改良品种的自然等位基因的进程。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定18基于测序技术的等位基因挖掘基于桑格测序技术的PCR扩增目标基因，挖掘等位变异；基于最新测序技术的目标基因区段的重测序，对等位基因进行分析。靶向区段的等位基因挖掘全基因组水平鉴定等位基因等位基因效应评估分析等位基因在种质资源中的分布；明确等位基因是属于普遍等位基因还是稀有等位基因；判断不同等位基因间功能差异。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定19等位基因挖掘的应用等位基因挖掘在遗传多样性评估中的应用水稻白叶枯病抗性基因Xa21、Xa26和Xa5的等位基因在野生稻和栽培稻资源中的DNA序列存在多态性和表达多样性，说明Oryzanivara在种间水平上表现出比Oryzasativa更强的多样性。等位基因挖掘在作物起源与进化研究中的应用科学家利用水稻粒长基因GS3等位基因序列对水稻的驯化过程、水稻亚群的起源、栽培品种与野生种之间的基因流向等进行了系统的分析，进一步明确了水稻进化问题。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定20等位基因挖掘的应用等位基因挖掘在重要性状形成分子机制中的应用科学家对991份油菜种质资源的基因组重测序，发现FloweringLocusT与FloweringLocusC等2个基因启动子区域的SNP单倍型差异，以及乙烯合成与信号传导途径基因的遗传多态性，是导致3种生态分型的关键分子基础。棉花AIL6候选基因存在2个主要单倍型，一个和高皮棉产量性状显著关联，而另外一个与低皮棉产量显著关联，双尾检测也显示出单倍型和皮棉产量之间的显著相关性。水稻qSE3基因在盐胁迫下促进水稻种子萌发和育苗，在水稻种质资源中鉴定出5种单倍型类型，其中单倍型3（HAP3）在盐分胁迫下与种子发芽率正相关。基因型鉴定技术全基因组关联分析在种质资源评价中的应用优异等位基因挖掘三、作物种质资源基因型鉴定21等位基因挖掘的应用等位基因的基因编辑在作物育种中的应用等位基因挖掘在作物育种中的应用小麦绿色革命的等位基因Rht-B1b在全国主要麦区品系的平均分布频率为24.5%，Rht-D1b基因的平均分布频率为45.5%，受到了定向选择并被广泛应用。此外，高产粳稻品种都含有突变的dep1基因，表明dep1基因已在我国水稻增产中发挥了关键作用。通过对玉米种质资源中qph1基因的等位变异分析发现，玉米超亲突变最有可能发生在温带玉米育种计划中，而SNP5259（T）突变是最近才发生的，在育种中尚未得到广泛的应用，在今后的育种中将有较好的应用前景。水稻高产基因Gn1a和DEP1的等位基因新种质，番茄矮秆DELLA等位基因新种质提高了两种作物的产量。定向突变小麦品种‘科农199’的TaALS或TaACCase基因获得的突变体对磺酰脲类、咪唑啉酮类或芳氧苯氧丙酸类除草剂具有抗性，为麦田杂草防控提供了育种新材料。四、作物基因组选择育种22分子育种分子标记辅助育种（molecularmarkerassistantbreeding，MAS）是获得与性状紧密连锁的遗传标记、分子标记，根据标记基因型来估算单株个体的育种值。分子设计（moleculardesign）育种是利用合成生物学和系统生物学理论，设计最优的遗传座位和等位基因组合，获得优良目标性状作物的前沿育种技术。基因组选择基因组选择（genomicselection，GS）是指利用覆盖全基因组的高密度分子标记，结合表型记录或系谱记录对个体育种值进行估计。基因组选择的概念基因组选择育种应用进展四、作物基因组选择育种23基因组选择基因组选择有两个假定，一是这些标记中至少有一个标记与所有控制性状的突变处于连锁不平衡状态；二是不同基因座位的各等位基因在群体中以一定的频率出现。连锁不平衡（linkagedisequilibrium）是指在某一群体中，不同座位某两个等位基因出现在同一条染色体上的频率高于预期随机频率的现象。基因组选择是一种利用覆盖全基因组的高密度分子标记进行选择育种的新方法，可通过构建预测模型，根据基因组估计育种值（genomicestimatedbreedingvalue，GEBV）进行早期个体的预测和选择，从而缩短世代间隔，加快育种进程，节约大量成本。基因组选择是使用高密度标记和高通量基因分型来改善大型植物育种种群数量性状的新方法，将标记数据与表型和谱系数据相结合，尽可能提高育种和基因型值预测的准确性。基因组选择的概念基因组选择育种应用进展基因组选择的概念基因组选择育种应用进展四、作物基因组选择育种24基因组选择育种的发展基因组选择育种最早主要应用于畜禽育种，在奶牛、猪、鸡、绵羊等禽畜类应用较成功，研究的重点是在多变量模型中使用相关性状来提高预测的准确性。基因组选择在植物育种上的应用随着分子生物学和测序技术的发展，大量目标性状基因被克隆、基因间互作网络被解析。使得分子设计育种成为可能，科学家可以在实验室内提前模拟、筛选和优化品种选育过程，实现从传统“经验”育种到设计“精准”育种的转变，极大地提高育种效率。随着高密度分子标记鉴定技术的飞速发展，基因组选择较为全面地应用于农作物不同复杂数量性状的选育中。作物种质资源库建设作物种质资源的信息化建设大数据科学的重要性五、作物种质资源的数字信息化25作物种质资源库建设20世纪20年代，俄罗斯科学家尼科莱·瓦维洛夫在圣彼得堡建立了世界上第一个种子银行——瓦维洛夫植物工业研究所，被认为是世界上最古老的种子库之一。美国于1958年在科罗拉多州建立了世界上第一座现代化种质低温保存库。全球最大的种子库是美国柯林斯堡的国家遗传资源保护实验室，由美国农业部运营，作为美国境内遗传植物材料的备份。2008年，挪威政府在斯瓦尔巴群岛北极圈建立了一个全球种子库，将世界各地300多万种植物的种子放入永久冻土层的隧道。2010年全球建成1750余个种质库（圃）和基因库，收集保存种质资源740余万份，其中90%是以种子形式保存于低温种质库中，其余10%是以植株形式保存于种质圃，或以离体形式保存于试管苗库或超低温库中。作物种质资源库建设作物种质资源的信息化建设大数据科学的重要性五、作物种质资源的数字信息化26作物种质资源库建设中国从1975年起筹建种质资源库，1986年建成了国家作物种质库，其保存容量40万份。我国于2021年建成新的国家作物种质资源库，可保存150万份种质资源，可以满足今后50年全国农作物种质资源安全保存、鉴定挖掘和新品种培育等重大需求。保存方式从先前的低温保存，拓展到超低温保存、试管苗保存和DNA保存，实现了作物种质资源保存方式的全覆盖。新库还配备了立体库自动存取系统，实现信息化和智能化管理，成为目前世界上单体最大、最先进的国家级种质库。作物种质资源库建设作物种质资源的信息化建设大数据科学的重要性五、作物种质资源的数字信息化27作物种质资源的信息化建设美国保存有世界上最大的50万份作物种质资源，建成了世界上最大的种质资源信息网络（GermplasmResourcesInformationNetwork，GRIN）。加拿大推出了GRIN-CA，拥有98000个种质资源信息。日本农水省建立了日本作物种子资源信息系统，包括了110种作物和20万份种质资源信息。德国建立起GENRES，包括动植物与微生物信息。俄罗斯建立PGDR，包括38.2万份种质资源信息。GRIN作物种质资源库建设作物种质资源的信息化建设大数据科学的重要性五、作物种质资源的数字信息化28作物种质资源的信息化建设至2015年，我国已建成了拥有200种作物、41万份种质资源信息、2400万个数据项值、总数据量达230GB的中国农作物种质资源数据库，存储的信息包括作物种质资源的基本情况、植物学形态、品质分析数据、基本农艺性状、抗逆、抗虫鉴定数据等。同时建成了中国作物种质信息网（CGRIS，ChineseCropGermplasmResourcesInformationSystem），成为世界上最大的作物种质资源信息系统之一，包括国家种质库管理和动态监测、青海国家复份库管理、32个国家多年生和野生近缘植物种质圃管理、中期库管理和种子繁种分发、农作物种质基本情况和特性评价鉴定、优异资源综合评价、国内外种质交换、品种区试和审定、指纹图谱管理等9个子系统，700多个数据库，130万条记录。作物种质资源库建设作物种质资源的信息化建设大数据科学的重要性五、作物种质资源的数字信息化29作物种质资源的大数据科学在作物遗传研究和育种