PBJ | 扬州大学徐辰武&徐扬开发玉米基因组杂交育种加速器SPDC-HG

文章标题

SPDC-HG: An accelerator of genomic hybrid breeding in maize

背景

玉米是全球最重要的粮食、饲料和生物能源作物之一，杂交育种是提高玉米产量潜力的最有效策略。自20世纪60年代以来，通过不同杂种优势群（heterotic groups, HGs）的亲本杂交开发单交种，极大地推动了玉米育种的发展。然而，随着双单倍体技术的发展，尽管每年可以产生大量自交系，但亲本的综合能力（general combining ability, GCA）评估仍然是玉米育种的瓶颈。基因组技术的发展为整合分子标记以增强GCA评估和预测提供了可能。

方法

1. 1. 研究设计
      研究采用了一种新的遗传交配设计——稀疏部分双列杂交设计（sparse partial diallel cross design, SPDC-HG），基于不同杂种优势群之间的杂交，共涉及266个自交系，生成了945个杂交种。
2. 2. 基因组关联研究（GWAS）
      使用五种多基因位点方法（Blink、FarmCPU、FASTmrMLM、FASTmrEMMA和ISIS EM-BLASSO）对九个与产量相关的性状及其对应的GCA值进行GWAS分析，以识别显著的单核苷酸多态性（SNPs）。
3. 3. 基因组选择（GS）
      使用三种GS模型（GBLUP、BayesB和LASSO）对杂交种的性状进行预测，并通过五折交叉验证评估预测准确性。
4. 4. 基因组评估
      基于SPDC-HG设计，利用线性混合模型结合基因组信息预测所有可能杂交种的表型，并准确估计266个自交系的GCA值。
5. 5. 田间验证
      选择预测的前100和后100个杂交种进行田间试验，验证GS方法的预测效果。

7. 

   基于SPDC-HG的基因组杂交育种路线图。

结果

1. 1. 杂交种表现
      研究发现，不同杂种优势群之间的杂交组合表现出显著的遗传差异，尤其是Lvdahonggu × P和P × Reid组合在多个性状上表现出最高的杂种优势。
2. 2. GS预测准确性
      三种GS模型（GBLUP、BayesB和LASSO）的预测准确性在不同性状间变化，范围为0.473到0.795。其中，GBLUP和BayesB在多数性状上表现优于LASSO。田间验证显示，通过GS选择的前100个杂交种的平均穗重比后100个杂交种高105.4%到108.6%。
3. 3. GCA估计
      通过基因组信息估计的GCA值在不同杂种优势群之间存在显著差异，P群在多个性状上表现出最高的GCA值，表明其具有较高的育种潜力。此外，GCA的预测准确性在不同性状间变化，GBLUP在多数性状上表现最佳。
4. 4. GWAS分析
      GWAS分析共识别出630个与GCA显著相关的SNPs，其中7到25个SNPs与九个产量相关性状的GCA稳定相关。通过基因组数据库筛选出264个候选基因，这些基因主要涉及细胞代谢、内胚乳发育、光合代谢途径等。
5. 5. 标记集对预测准确性的影响
      研究发现，基于GCA显著SNPs的标记集显著提高了杂交种的预测准确性。例如，GCA_SNP2标记集在穗重预测中的准确性比全SNP集提高了10.1%。

6. 

   SPDC-HG****群体的构建

7. 

   3种GS方法所选top 100和bottom 100****杂交种的田间验证

不同杂种优势群产量相关性状一般配合力的变异分布

产量相关性状一般配合力的全基因组关联分析

不同SNP标记数据集对玉米杂交种产量相关性状的预测准确性

优异基因型在杂交种的表现情况

讨论

1. 1. GS在玉米育种中的应用
      研究结果表明，GS在玉米杂交育种中具有显著潜力，尤其是在选择高产杂交种方面。通过田间验证，GS方法能够有效识别出表现优异的杂交组合。
2. 2. GCA的准确估计
      通过基因组信息和线性混合模型估计的GCA值为亲本选择提供了重要依据。研究中提出的SPDC-HG设计为解决玉米育种中GCA评估的瓶颈问题提供了一种有效方案。
3. 3. GWAS与基因组选择的结合
      GWAS分析识别的显著SNPs为理解GCA的遗传基础提供了重要线索。通过将GWAS与GS结合，可以进一步提高杂交种预测的准确性。
4. 4. 未来研究方向
      未来的研究可以进一步整合多组学数据（如转录组学和代谢组学）以及更先进的统计模型（如深度学习），以进一步提高GCA估计的准确性和杂交种预测的效果。

结论

本研究通过SPDC-HG设计和基因组技术的结合，为加速玉米杂交育种提供了新的策略。通过准确估计GCA和选择优异杂交组合，研究为玉米基因组杂交育种提供了有价值的见解和实践指导。

扩展阅读：PBJ | 扬州大学徐辰武课题组在玉米基因组选择育种技术研究中取得重要进展