20211031读书笔记Applying the latest advances in genomics and phenomics for trait discovery in polyplo...

Applying the latest advances in genomics and phenomics for trait discovery in polyploid wheat

文章截图

背景

        由于小麦复杂的多倍体基因组，小麦在基因组资源开发和性状遗传机制方面落后于水稻和玉米等二倍体作物。然而，在过去几年里，由于基因组学的发展和可利用资源的增加，小麦相关研究领域的困难或许有所降低。

概要

        文章旨在讨论最新的研究进展如何应用于了解小麦农艺性状的生物学机制。文章描述了该领域可用的新资源以及新技术，讨论了如何将其应用于到小麦基因发现。

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LAYING THE FOUNDATIONS FOR UNDERSTANDING

（研究基础）

Genome assemblies

        IWGSC RefSeqv1.0基因组的公开，提供了一个高质量的已注释的小麦参考基因组序列，使遗传图谱和物理图谱能够快速关联，从而加速性状的发现。

Pangenomes

        高质量的泛基因组序列可以弥补由于参考基因组品种单一造成的基因定位失败。目前，小麦族中二倍体祖先Triticum urartu、Ae.tauschii和四倍体祖先T. dicoccoides、四倍体硬粒小麦Svevo品种的高质量基因组已释放。这些基因组的释放对于识别结构变异和拷贝数变异尤为重要。

USE OF NATURAL VARIATION FOR TRAIT DISCOVERY

（可利用的育种资源）

Resource No.1   Synthetic Hexaploid Wheat(SHW）

       如图1，栽培二粒小麦和与粗山羊草自然杂交产生六倍体小麦，在这一过程中，野生近缘小麦的遗传多样性有所减少；六倍体小麦和二粒小麦的自然杂交形成地方种，一定程度上增加了六倍体小麦中A、B亚基因组的遗传多样性，而D基因组的野生祖先由于倍性水平差异而存在生殖分离。另外，人工选择造成了小麦现代品种遗传多样性的进一步减少。因此，通过重新引入Ae.tauschii遗传多样性而形成的SHW，保留了较高的遗传多样性，是抗非生物和生物胁迫的宝贵来源。同时，通过SHW与现代六倍体小麦品种的杂交，前景性状可以很容易地转移到现代品种中。

Figure 1. Polyploid wheat genetic diversity.

Resource No.2  ZIP4 mutants

        ZIP4突变体的使用可以规避野生亲缘的有害基因连锁。这种变异可以通过基因编辑复制或插入到多倍体小麦，仅引入有益的等位基因。

Resource No.3  Landraces

        地方品种是作为农民自留种种植的、没有经过现代育种技术改良的本地适应性小麦品系。地方品种是重要的遗传变异来源，可以直接杂交成现代品种。在该领域，the Watkins landrace collection是重要的资源，包括在20世纪20年代和30年代在世界范围内广泛分布的一千多个地方品种。（http://wisplandracepillar.jic.ac.uk/）

Resource No.4 Modern cultivars

        现代品种也是基因变异的重要资源。大部分变异来自不同性状的栽培品种组成的遗传群体。这些群体如果与新的基因组学或验证工具结合，都会促进小麦新的基因发现，例如TCAP中的Triticeae Toolbox。

Resource No.5 Phenotypic Data

        表型数据的利用为育种提供了新可能。通过建模，定义最佳SNPs组合，最大限度提高遗传杂交后代的育种价值。虽然对许多已知的高遗传力的性状和主效位点有效，但这种方法最适合于预测现代品种内的持续变异。

Resource No.6  Haplotypes

        了解优良品种中的单倍型可以挖掘地方品种和野生亲缘种质中新的单倍型。这种方法可以挖掘能够打破有害连锁的单倍型，或通过性状相关的QTL位点挖掘新的单倍型。这种方式可以详细考察不同单倍体特定区间之间的表型差异。

NEW STRATEGIES ACCELERATE GENE DISCOVERY IN WHEAT（新策略）

Strategy No.1     Enrichment strategy

        利用新兴技术发现基因的例子之一是利用靶向基因组测序方法快速克隆抗病基因。MutRenSeq利用改进后的抗性基因注释，利用基因富集方法对特定植物中的大部分抗性基因进行测序。另外，有研究表示，AgRenSeq使用富集方法来识别野生近缘种中的抗性基因的变异。

Strategy No.2     Exome-capture sequencing

        Exome-capture sequencing是一种将将已知的基因图谱与新的基因组学研究方法结合的方法，是加速基因发现的方法之一，目前已用于识别小麦基因组编码区域的变异，并可用于识别候选基因。利用这种方法识别的SNPs可以用于开发新的基因定位标记和识别基因突变。然而，这种技术受到捕获探针质量的限制。

Strategy No.3     Alternative techniques

        Alternative techniques旨在通过单染色体的流动分类和测序来减少基因组的大小，发现 Exome-capture sequencing获得结果之外的变异，也有助于鉴定与已知品种不同的品种中的变异。MutChromSeq利用流式细胞仪对目标突变体的目标染色体进行分离，从而大大降低重测序的难度，促进基因的发现。TACCA，targeted chromosome-based cloning via long-range assembly，依靠特定目标区间组装包含目标区间的序列片段，从而消除基因发现对于BAC克隆的需要。

HYPOTHESIS GENERATION IN WHEAT(猜想)

Orthology

        基因组高质量组装和注释，促使在其他物种中鉴定的基因可以通过推断同源基因的方法在小麦中得到快速鉴定。小麦族其他物种高质量参考基因组的释放，可能会促进这一方法的快速发展。

Expression

        基因表达数据可以辅助QTL定位或功能基因组研究方法鉴定基因。RNA-Seq可以获得小麦中大量基因表达数据。kallisto可以进行特异性同源基因表达分析；expVIP（wheat-expression.com）包含900多个来自不同组织、发育阶段、胁迫(非生物和疾病)和品种的RNA-Seq样本，可以用于快速分析基因在不同组织和发育阶段的表达模式。

Networks

        了解单个基因的表达模式很重要，但了解基因如何在网络中相互作用从而调节表型的过程，也很重要。WheatNet完成了源自一种小麦数据的网络搭建；knnetminer提出了一种基于同源基因的小麦网络。Ramirez-Gonzale利用公开的RNA-Seq样本，针对特定组织类型(叶、根、粒和穗)和非生物或疾病胁迫条件，开发了一套共表达网络。

        未来一种可靠的方法是，将模式物种的信息与小麦特定信息结合，识别调控特定性状的基因或基因家族。