文献阅读 | Discovery of beneficial haplotypes for complex traits in maize landraces

Mayer, M., Hölker, A.C., González-Segovia, E. et al. Discovery of beneficial haplotypes for complex traits in maize landraces. Nat Commun 11, 4954 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18683-3

遗传变异对作物改良至关重要。地方品种是宝贵的多样性来源，但是对于数量性状而言，缺乏有效的、针对性地利用策略。作者以高分辨率绘制了来自三个玉米地方品种的约1000个双单倍体系的单倍型-性状关联，以使它们的原生多样性可用于早期种质的改良，从而改善种质。对地方品种衍生品系和65个育种品系中发现的单倍型进行了比较基因组分析（这两个品系采用600k SNPs进行基因分型），表明地方品种的目标性状存在未开发的有益变异。与具有替代单倍型的育种系相比，携带有利的地方品种单倍型的系的优异表型表现证实了这些发现。单倍型效应在群体和环境中的稳定性及其对非期望性状的有限影响表明，作者的策略对于利用遗传资源中数量性状的有益单倍型变异具有很大的潜力。

PCoA中，第一个主坐标解释了6.2％的分子变异，并根据欧洲（从东北（德国）到西南（法国南部，西班牙））在欧洲的地理起源将种系和种系分开。第二个主坐标解释了5.4％的变化，并将两个地方品种KE和PE与种系分开。

a.对66个地方品种衍生DH系和65个繁殖系（三角形）进行了基于成对修正Rogers距离的主坐标分析，其中包括4个显著的 founder 系（倒三角形）。从三个DH库，KE（圆形），LL（正方形）和PE（菱形）中随机抽取22条线。轴标签显示按主坐标解释的百分比方差。Venn图显示了941个地方品种DH系（LR）和65个欧洲育种系（BL）之间456911个单倍型的重叠。为10个SNPs的非重叠基因组窗口构建单倍型。
b.DH系（x轴）和育种系（y轴）中456911个单倍型的频率。颜色表示热图中每个细胞内单倍型的数量。源数据作为(源数据文件)[https://www.nature.com/articles/s41467-020-18683-3#MOESM6]提供。

遗传资源定向利用的一个关键问题是，地方品种材料的分子库是否能预测其改善农艺性状的潜力。利用SNPs和单倍型进行全基因组关联扫描（GWAS），作者确定了研究中所有9个性状的关联。两种类型的基因组信息的结果非常相似，如(补充图2)[https://www.nature.com/articles/s41467-020-18683-3#MOESM1]所示的性状分蘖（TILL）。由于单倍型比双等位基因SNPs更能提供与育种系比较的信息，作者在进一步的分析中重点关注单倍型。性状相关的基因组区域是基于显著单倍型之间的LD定义的。由于地方品种在早期植株发育中的变异是预先选择的，大多数关联在性状早期活力(EV_V4/V6)和早期株高(PH_V4/V6)上被检测到。

黑色竖线表示与899个地方品种衍生的DH系中的9个性状（y轴）显着相关的基因组区域的位置。在X轴显示玉米的十条染色体。三角形标记了每个染色体的着丝粒位置。y轴代表性状，每性状显著区域的数量，以及百分比遗传变异说明。

65个育种系中有利（n = 53，蓝色）、不利（n = 80，红色）和随机（n = 500，灰色）单倍型的密度估计。在地方品种来源的DH文库中，单倍型与四个早期植物发育性状（EV V4、EV V6、PH V4和/或PH V6）显著相关，表现出距离 >1 Mb和/或r² <0.8。6个有利单倍型（11.3%）在育种系中缺失。在80个不利单倍型中，22个（27.5%）在育种系中是常见的，即表现出大于随机单倍型的上四分位（>0.231）的频率。

14个育种系（BL琰all）、402个地方品种DH系以及a在3号染色体上携带聚焦单倍型（haplotype A in Fig. 3a; PE_Focus, 38 lines）和在9号染色体上携带b聚焦单倍型（haplotype D in Fig. 3a; PE_Focus; based on three data points only）。垂直线表示每组的平均值。

遗传变异对于农作物选择和遗传改良的重要性是无可争议的。驯化物种的遗传资源，例如地方品种，是扩大精英种质遗传基础的宝贵宝贵资源。然而，缺乏利用这种本地多样性来改善数量性状的有效策略。在这里，作者制定了一种策略来发现玉米地方品种数量性状的有益单倍型。综合分子清单和在多环境试验中从地方品种衍生的DH库中收集的有意义的表型的组合，可以检测出单倍型-性状关联，以检测出具有有限遗传变异的精英材料中的数量性状。即使DH库仅来自三个预先选择的种群，在育种系中也不存在26％的地方品种单倍型，代表了多种多样的来源种群的等位基因多样性。虽然这些单元型中的大多数可以预期为中性或不利，但有些可能代表有益的新颖变异。

在这项研究中使用的大量来自地方品种的DH系样本能够绘制具有中等效应大小和相对较低频率的单倍型，但正如GWAS研究所知，其中一些重要的性状关联可能是虚假的。在这里，重要性的顺序确定应该使假阳性的比例最小化。另外，基于单倍型的方法能够追踪本地品种和育种材料之间的祖先等位基因，并且两组之间的表型比较支持所鉴定的单倍型对种质改良的有用性。然而，在地方品种来源的材料中单体型的构建仍需进一步研究。基于LD不同的方法用于单倍型结构存在，产生群体特定单倍型区段。作者使用固定的窗口大小，因为在跨LD程度变化的数据集中比较单倍型频率时非常有利。窗口大小的选择取决于可用的标记密度，并影响每个窗口的单倍型数量，以及重组导致单倍型分裂的风险。因此，定义地方品种的单体型清单并将其与优良种质进行比较并非易事。从在单倍型结构，并在同一时间权证足够的统计效力，并通过不存在显着的种群结构，LD的迅速衰减的在GWAS映射分辨率，和连杆相的一致性地方品种减轻困难数目的限制的个体或品系的综合采样。在这里，作者将这一策略付诸实践，并展示了其在鉴定育种系中不存在的有利等位基因以改善数量性状方面的潜力。

对于早期发育性状，DH库和表型育种子集之间的整体表现没有显着差异，但是在有利于性状分化的环境中，携带不存在于育种系中的特定焦点单倍型的DH系显着优于育种组。这是从遗传资源中识别单倍型以改良种质的第一步，但是概念的最终证明必须来自于地方品种衍生的材料与精英材料的杂交。

确定性状关联后，下一步是合理地映射各个基因组区域和候选基因的功能特征。通过成功地将地方品种的分子清单与有意义的表型联系起来并确定具有农艺学重要性的定量性状的有益变异，这项研究的结果代表了朝着以知情和有针对性的方式获取本地生物多样性的长期目标迈出的第一步。在这项研究中提出的策略以及欧洲fl石种质的实验证明，该策略可以扩展到其他玉米种质群体，甚至扩展到其他同种异体作物物种。有效利用遗传资源的关键是要了解如何将基因库种质的基因组信息转化为植物的性能。