2024年8月1日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，以下簡(jiǎn)稱“基因組所”）周永鋒課題組在《當(dāng)代生物學(xué)（Current Biology）》上在線發(fā)表了題為“Integrative genomics reveals the polygenic basis of seedlessness in grapevine”的研究論文。該研究利用比較基因組學(xué)、群體遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)和整合基因組學(xué)等方法探索了無(wú)核葡萄重要的結(jié)構(gòu)變異、進(jìn)化起源和多基因遺傳基礎(chǔ)，并構(gòu)建了一套基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)核性狀全基因組選擇育種體系，有效提高選育效率、降低育種成本、縮短育種年限，為無(wú)核葡萄育種開(kāi)辟了捷徑。

自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，無(wú)核一直是鮮食葡萄育種中的一個(gè)重要性狀。幾乎所有無(wú)核化的水果，都在全球市場(chǎng)上取得了巨大的成功，葡萄如此，香蕉、柑橘、西瓜、菠蘿等亦如此。高可食率的果肉和無(wú)籽的口感，深受消費(fèi)者的青睞。目前，獲取無(wú)核葡萄的方法可以分為兩種，一種是在盛花期噴施或浸泡赤霉素和細(xì)胞分裂素類似物，模擬受精信號(hào)，促使其子房直接膨大；另一種是結(jié)合二倍體和三倍體育種，利用胚挽救的策略獲得無(wú)核新品種。盡管前者被廣泛應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)中，但食品安全和費(fèi)時(shí)費(fèi)工的問(wèn)題也逐漸引起的關(guān)注。對(duì)于后者而言，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的育種周期和不清晰的多基因遺傳基礎(chǔ)，往往使得育種家們望而卻步。

數(shù)量遺傳學(xué)挖掘葡萄種子敗育性狀的關(guān)鍵基因與變異

通過(guò)對(duì)444個(gè)葡萄樣本進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），研究人員發(fā)現(xiàn)了110個(gè)數(shù)量性狀基因座（QTLs）和634個(gè)候選基因，其中包括一個(gè)之前忽視的基因座SDI2。該基因座同時(shí)存在于歐美和歐亞群體中（圖1A），關(guān)聯(lián)到種子敗育相關(guān)基因包括編碼逆轉(zhuǎn)錄酶鋅結(jié)合域蛋白（LOC104880636）、染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白（SMC1），以及三個(gè)串聯(lián)重復(fù)的11S球蛋白-種子貯藏蛋白（11S Globulin G1, G2, G3）。此外，研究人員利用分子標(biāo)記和GWAS連鎖區(qū)域重新界定了SDI基因座，命名為SDInew（圖1D）。在這個(gè)連續(xù)的基因座中，歐美和歐亞無(wú)核群體的分化程度（FST）顯著低于全基因組水平，證明這兩個(gè)群體中存在較低的分化水平，相似的核苷酸多樣性（Pi），以及fd統(tǒng)計(jì)也證明了該區(qū)域內(nèi)確實(shí)存在許多漸滲信號(hào)（圖1E），即兩群體之間存在著頻繁的基因流動(dòng)。

圖1 無(wú)核性狀多基因基礎(chǔ)的GWAS作圖

結(jié)合3個(gè)轉(zhuǎn)錄組的差異表達(dá)基因、6,529個(gè)種子敗育相關(guān)通路的同源基因、451個(gè)報(bào)道的基因家族基因，以及GWAS關(guān)聯(lián)的634個(gè)候選基因進(jìn)行整合分析（圖2A）。最終，篩選到出了339個(gè)核心基因，歸類成13組，例如種子胚、胚乳、種皮等發(fā)育相關(guān)基因，脂質(zhì)合成相關(guān)基因、種子激素調(diào)節(jié)基因、花器官調(diào)控基因、金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因，以及糖、氨基酸合成相關(guān)基因等（圖2B-D），這些基因在有核和無(wú)核葡萄的種子發(fā)育過(guò)程中顯著差異表達(dá)，表明多基因的累加效果塑造了葡萄種子敗育的特性，形成了不同程度的敗育特征。

圖2 葡萄種子敗育的整合基因組學(xué)分析

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)核葡萄全基因組選擇育種體系

研究人員發(fā)現(xiàn)GWAS關(guān)聯(lián)到的794個(gè)高質(zhì)量變異位點(diǎn)（高于閾值線y=7.66），能夠清晰地將444個(gè)葡萄個(gè)體分成有核和無(wú)核兩個(gè)類群（圖3A）。盡管有嵌合品種的存在，但從基因型頻譜圖來(lái)看，無(wú)核葡萄多為雜合或純和突變，而有核品種多為純合子（圖3D）。基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究人員利用整個(gè)頻譜的位點(diǎn)信息，并結(jié)合過(guò)濾強(qiáng)關(guān)聯(lián)的連鎖不平衡（LD）后的位點(diǎn)信息，對(duì)9個(gè)經(jīng)典模型進(jìn)行了訓(xùn)練。根據(jù)100次交叉驗(yàn)證的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，篩選出了4個(gè)具有代表性的模型（圖3B）。即便僅用45位點(diǎn)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率也能夠達(dá)到了97%以上。該無(wú)核葡萄全基因組選擇育種體系有效提高選育效率、降低育種成本、縮短育種年限，為無(wú)核葡萄育種開(kāi)辟了新的途徑。

圖3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的葡萄無(wú)核育種基因組選擇

基因組所周永鋒研究員為該文章的通訊作者，都柏林大學(xué)聯(lián)培博士生王旭、基因組所博士后劉眾杰為該文章的共同第一作者，基因組所博后張帆、王怡雯、肖華，博士生蘇穎、碩士生曹碩、侯婷等周永鋒團(tuán)隊(duì)成員參與了此研究，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所張付春研究員、伍新宇研究員、鐘海霞副研究員，西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院劉國(guó)甜副教授對(duì)這項(xiàng)研究提出了寶貴的意見(jiàn)。該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（海外）、國(guó)家自然科學(xué)基金、新疆農(nóng)業(yè)科技革新穩(wěn)定支持、中央政府引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.07.022