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基因组学分析在番茄育种中的应用
日期:2021-01-12 作者:未知 来源:农科智库 点击:
 

    基因组学作为一门交叉生物学学科,随着高通量测序技术以及计算机科学的快速发展,已广泛应用到作物育种中,成果显著。基因组学及其衍生技术已成为研究前沿热点,正影响着全球农业产业的发展。“农科智库”本期特约北京市农林科学院蔬菜研究中心李常保研究员和周明副研究员,针对基因组学分析在番茄育种中的应用进行了详细的分析和解读。

    番茄(Solanum lycopersicum)为茄科一年生草本植物,起源于南美洲的安第斯山脉地带。由于番茄果实营养丰富、风味浓郁,作为重要的日常蔬菜和新型水果,越来越受到国内外人们的青睐。目前我国是世界上番茄种植面积最大,总产量和消费量最高的国家。2019年,全国番茄种植面积936.7千公顷,总产量4631.8万吨。同时番茄又是研究果实发育、植物抗病抗逆等重要的模式植物,具有重要的经济价值和研究价值。

1.基因组学的研究进展为番茄育种方向的选择提供了重要参考。
    2012年,来自中国、美国、荷兰、以色列等14个国家的300多位研究人员首次完成栽培茄“Heinz1706”全基因组测序,共鉴定出约34727个基因,其中97.4%(33840个)的基因被精确定位到染色体上。同时绘制出栽培番茄祖先醋栗番茄基因组的框架图,为后续挖掘功能基因、研究野生种到栽培种的进化奠定了基础,推动了基因组学在育种中的快速应用(The Tomato Genome Consortium,2012)。
    2014年,人们完成了360份包括栽培和野生番茄种质材料的基因组重测序,分析了长期驯化以及育种过程导致的番茄基因组变化,揭示了番茄育种史包括驯化、改良、分化和渐渗四个主要的阶段,从野生醋栗番茄到樱桃番茄再到大果栽培番茄的两次进化过程,控制果重的一些关键基因受到了强烈的定向选择。而5号染色体部分区域序列差异赋予了加工番茄在可溶性固形物和果实硬度方面不同于鲜食番茄的特性特征(Lin et al.,2014)。
    2016年,人们通过对84份番茄种质包括栽培种、野生种基因组测序,揭示了栽培种与野生种间果实特征和生长发育相关的序列特异性多态性。通过果实中非同义和同义SNPs比值差异揭示了栽培种与野生种间选择压力差异,并表明从野生物种到传家宝番茄驯化过程中基因多态性严重流失(Afitos et al.,2014)。
    2018年,通过对600多份遗传变异丰富番茄资源进行基因组和转录组测序和代谢组测序,获得了2,600万个基因组变异位点、3万多个基因的表达量和980种果实代谢物的群体多组学数据,发现在对番茄驯化改良过程中番茄果实的营养和风味物质发生了显著变化。并且随部分果重基因的聚合,与其连锁的基因形成了“搭车”效应从而改变了番茄的营养物质和风味物质的代谢(Zhu et al.,2018)。

    2019年,人们进一步完成了725份番茄种质材料(包括栽培番茄及其近缘野生种)的泛基因组构建。共发现了4873个在原始参考基因组不存在的新基因。通过泛基因组分析基因存在/缺失变异,表明在番茄驯化和随后的改良过程中在选择有利基因的同时造成了不利基因的积累,还造成大量优良基因丢失。如调控番茄风味的TomLoxC等位基因,由于育种中集中在产量、保质期和对生物和非生物胁迫的抗性,而忽略了番茄风味特性,TomLoxC等位基因在驯化期间遭到负选择而丢失(Gao et al.,2019)。

2.基因组学分析为全方位快速挖掘和解析基因功能提供了技术手段,为育种材料性状改良提供了分子理论基础。
    随着2012年高质量番茄基因组测序的完成(The Tomato Genome Consortium,2012),番茄基因组研究由结构基因组学转入到功能基因组学。新的基因组测序技术结合转录组、蛋白组以及代谢组数据分析推动了基因挖掘新技术的发展。这些新技术包括全基因组关联分析(Tieman et al.,2017)QTL-seq(Illa-Berenguer et al.,2015)MBS(mapping-by-sequencing,Garcia et al.,2016),因成本低廉、操作简便、方法高效而加快了番茄重要农艺性状的基因定位分析,多个重要功能新基因被挖掘出来。尤其是基因组测序结合代谢组分析加速了番茄风味和营养品质等数量性状的分子调控解析进度。Sauvage等(2014)对163份番茄种质资源的核心种质资源进行基因组测序,通过全基因组关联分析检测到多个与番茄果实内蔗糖、抗坏血酸、苹果酸和柠檬酸调控相关的基因位点。Alseekh等(2015)通过对76份野生番茄渐渗系分析鉴定出包括酰基糖、柚皮素查尔酮等多个次级代谢物质的基因调控位点。Tieman等(2017)通过分析来自世界各地的476份番茄种质中决定番茄风味的33种主要物质和29种挥发性物质,获得了控制风味的250多个基因位点,从而首次阐明了番茄风味的遗传基础。Zhu等(2018)进一步利用多重组学通过对600多份番茄种质资源的研究分析发现了调控514种物质的3526个信号位点;9万多个表达数量性状位点,以及23万组物质和表达量的相关性数据,构建了番茄果实代谢物生物网络包括1万个代谢物-基因-遗传位点的互作关系,涉及371种代谢物、970个SNP位点和535个基因。这为今后番茄品质改良和风味、营养品质育种提供了一个切实可操作的路线图。

3.基因组测序为开发大量可靠的分子标记提供了可能,为快速选育具有优良目标性状的育种材料和品种提供了技术基础。
    育种中,“变异”和“选择”是两大主题。随着分子标记技术的不断发展以及测序数据的不断积累,大量的分子标记被不断开发出来用于“选择”育种。目前,基于PCR的低通量分子标记以及基于SNP和Indel的KASP高通量分子标记技术可实现对目标优良性状的快速准确选择,这些已在番茄育种中被普遍应用。在果形、果色、果实硬度、果实成熟、雄性不育等一系列重要农艺性状上,尤其是抗病虫害性状材料品种的选择选育上,通过前景选择和背景选择实现了快速高效的优良基因聚合和回交转育。分子标记辅助育种克服了表型选择的局限性,在“选择”育种占有越来越重要的地位。
    另外,基于基因组数据而开发的分子标记也越来越多应用于番茄育种材料身份的识别。如通过分子标记进行种子纯度和真实性鉴定,在保证种子质量及实现新品种知识产权保护方面显现出巨大应用前景。通过分子标记进行育种材料遗传变异分析和亲缘关系分析,可实现杂种优势预测,配制出可能具有超亲优势的组合或品种。
    随着分子标记育种在番茄育种应用上的不断深入,新的“选择”育种策略也在育种中得到尝试。如,Yamamoto等(2016)提出了将计算机模拟和表型预测相结合的基因组选择策略,用于同时提高番茄产量和果实风味。

4.基因组测序为实现基因组定向编辑提供了变异靶点,为快速创制优良育种材料提供了操作基础。
    传统杂交育种常受物种间生殖隔离限制和连锁累赘的影响。以转基因、定向诱导基因组局部突变(Targeting induced local lesions in genomes,TILLING)和基因组编辑(Genome editing)等技术为代表的基因组编辑育种可以打破生殖隔离、连锁累赘等因素的限制,实现目标性状的快速精准改良(杜敏敏等,2017)。其中CRISPR/Cas9基因编辑技术在“变异”育种方面具有巨大的应用潜力。目前,已通过CRISPR/Cas9基因编辑技术成功创制了产量(Rodriguez-Leal et al.,2017;Soyk et al.,2017)、果形(Li et al.,2018) 果色(Deng et al.,2018)、抗病(Nekrasov et al.,2017)、雄性不育(Du et al.,2020)、单性结实(Klap et al.,2017;Matsuoe et al.,2020)等优良基因突变体,加速了番茄育种材料的遗传改良。

作者:周明 李常保

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