Science | 上海师范大学黄学辉团队建立水稻性状遗传解析新体系

责编 | 王一

2024年7月5日，上海师范大学黄学辉教授团队与中国水稻研究所、中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中国农业大学、扬州大学、美国内布达斯加-林肯大学等单位合作在Science发表了题为Genomic investigation of 18,421 lines reveals the genetic architecture of rice的研究论文。该研究创制了大规模的水稻“混血杂交”群体，大幅提升了农艺性状遗传解析的效率，系统评估了基因上位性对农艺性状的影响。该工作为水稻遗传研究提供了重要的材料资源和基因信息，为水稻分子育种提供了基因资源和理论支持。

从巧克力与诺奖关系的迷思说起

2012年《新英格兰医学杂志》发表了一篇题为“Chocolate Consumption, Cognitive Function, and Nobel Laureates”的研究，发现一个国家人均巧克力消费量越高，人均诺贝尔奖得主数量就越多(r=0.791，P<0.0001)。为什么会出现这种意想不到的相关性呢？大家推测国家富裕程度同时决定平均消费水平和平均受教育程度，因而后两者之间呈现出相关性。

这类“似是而非”的因果关联在流行病学调查和遗传学研究中普遍存在。一个物种包含着多种类群，可称之为群体遗传结构，大量性状与类群高度相关。比如，流行病学调查发现ABO血型和很多疾病的发病率在统计学上显著相关，深层次的原因是决定血型的等位基因频率、这些疾病的易感基因频率均与类群相关，形成了血型与疾病间的相关性。

在遗传定位中，正是群体结构的存在使得基因变异与表型之间的相关性经常带有欺骗性。类群、覆盖全基因组的大量基因变异、表型，这三者间显著相关，与表型真正有因果关系的基因隐匿于大量“似是而非”的关联位点里，难以凸显。统计学算法，比如加入类群协变量或使用线性混合模型，可以大幅降低欺骗性，但同时也错失了大量真正起作用的基因。那么，有什么办法可以摆脱群体结构的困扰、全面准确地找到想要的基因？在植物中，可以从底层出发，通过类群间的遗传重组把类群结构充分打散，创制出没有明显类群划分的新型群体。

创制水稻“混血杂交”群体

基于此思路，研究者分析筛选出涵盖水稻全类群的16份品系，通过巢式群体设计对这些代表性材料进行充分的杂交混血。由于杂合材料没法稳定保存、单株个体不能精准鉴定表型，研究者进一步通过多代自交生成了稳定纯合的株系，最终形成了包含18421份纯合“混血杂交”株系的新型群体。这套群体包括15套共同母本的重组自交系子群体和1套多亲本高世代互交子群体。研究者为16份亲本创制了高质量的参考基因组，为18421份“混血杂交”株系打造了精准的基因型数据。

研究者考察了该群体的16套农艺性状，鉴定到了1207个基因位点，每个性状平均可以检测到27.5个基因位点。这些基因位点能够解释49.9%的性状变异，相当于狭义遗传力的88.8%。在以往基于种质资源群体的全基因组关联分析中，这些性状一般只能定位到数个基因位点，可见遗传定位的功效大幅提升。由于水稻等植物的遗传位点范围内通常包含几十到几百个基因，长期以来，科学家都被困扰在从大量候选基因中找到关键基因中。研究者综合亲本间基因变异、每套子群体的定位结果、基因表达、同源基因功能等多组学信息，开发了名为RiceG2G方法，打通了从遗传位点快速筛选到候选基因的关键一步，并通过遗传转化对少量新发掘基因进行了功能验证。

这套蕴含着丰富基因组合的遗传材料，可以通过扩繁实现长期保存、反复使用。结合公开的群体基因型和RiceG2G方法，该遗传材料可用于各类农艺性状和分子特征的遗传学研究。

水稻新型群体的构建与复杂性状的系统解析

已被克隆的水稻QTL基因占比

经过全世界水稻遗传学家三十年的努力，在水稻中已克隆了大约350个QTL基因，但是还有多少QTL基因尚未被发掘还不清楚。研究者发现在鉴定到的1207个基因位点中，28.0%在之前的水稻研究中已经被发掘并验证。不同性状间，花期、壳色等易观测性状的已知基因比例高，而籽粒蛋白质含量、发芽率等难测量性状的已知基因比例低。同一性状内，已知基因的关联信号显著强于新发掘基因。

考虑一因多效等情况，大致可以估计出水稻中控制主要农艺性状的待发掘QTL基因数在1000左右。然而，在待发掘的QTL基因中，总体趋势是这些基因或者对应的性状更难检测，或者效应值更低，或者在群体中的等位变异更为稀有。

上位性对表型的全局贡献

遗传学家观察发现两个基因的叠加效应并不总是两者加性效应之和，也就是“1+1≠2”，提出了基因间存在上位性，这种基因间相互“压制”、“掩盖”等复杂的遗传互作在自然界所有物种中都普遍存在，然而水稻哪些基因存在上位性以及基因上位性对农艺性状的影响究竟有多大还不清楚。该研究估算出农艺性状的广义遗传力平均为0.69，基因组上位性效应和加性效应的整体比值大约为1:6.4。进一步，研究者鉴定到1013 个QTL-QTL互作对。对于单个性状，一个QTL基因通常涉及多个互作对，使得QTL基因处于互作网络中；而多效性基因（一个基因同时控制多个性状）的存在，又进一步形成了众基因-多性状的高维互作网络。研究发现，少量多效性基因与大量性状专一基因的遗传互作塑造了相应性状的遗传特征。

水稻育种中，经常发现某个基因导入某个亲本中不发挥作用，这种基因受到遗传背景影响的现象正是基因上位性。特定等位基因的表型经常受到遗传背景的影响，相同的等位基因可能在一种遗传背景中有效，但由于上位性掩蔽效应造成在另一种背景中变得无效。研究者鉴定到决定遗传背景效应的170对掩蔽型上位性。比如，Ghd8在Ehd1（野生型等位基因）背景下影响籽粒蛋白质含量，但在ehd1（突变等位基因）背景中由于Ehd1×Ghd8上位性而被掩蔽。

魏鑫、陈蒙娇（已毕业）、张绮（已毕业）、龚俊义（中国水稻研究所）、刘杰、雍开成（博士生）为论文共同第一作者，黄学辉为通讯作者。上海师范大学博士研究生范炯炯（已毕业）、华桦、王轩、丛嘉、陈嘉欣（已毕业）及已毕业的硕士研究生罗兆伟、赵晓焱、李伟、于熙婷、王芷涵、黄瑞鹏等参与了研究工作，上海师范大学王勤博士、陈素卉博士、周晓艺副研究员、邱杰副研究员、Ping Xu副研究员等做出了重要贡献，中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌院士、Jeremy Murray研究员、中国农业大学汪海教授、扬州大学徐扬副教授、徐辰武教授、美国内布达斯加-林肯大学徐根博士、杨金良副教授等参与部分研究或提供重要帮助。研究得到了国家重点研究计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1126/science.adm8762