基因组选择加速美洲黑杨多世代杂交群体生长与材性性状遗传改良

本研究针对美洲黑杨(Populus deltoides)长达20年的传统育种周期瓶颈，通过构建首个端粒到端粒(T2T)水平的"丹红"美洲黑杨参考基因组，结合765株多世代全同胞群体的全基因组关联分析(GWAS)和基因组选择(GS)研究，鉴定出135个与生长和材性相关的数量性状核苷酸(QTNs)，开发出预测精度(PA)最高达0.730的优化模型，为林木多性状聚合育种提供了新策略。该成果发表于《Horticulture Research》，通过整合基因组预测、关联分析和转录组技术，实现了生长与材性性状的协同改良，将育种效率提升136.34%。

　　

在林业生产中，美洲黑杨作为中国人工林主要树种，其遗传改良长期受困于传统育种周期长、性状选择效率低的瓶颈。尤其当需要同时改良生长速度与木材品质时，常规育种往往陷入"速生则材质差"的两难境地。面对我国每年仍需大量进口木材的现状，中国林业科学研究院林业研究所的研究团队另辟蹊径，将动物育种中成熟的基因组选择(GS)技术引入林木育种体系，通过构建高质量参考基因组、开发优化预测模型等系列创新，为突破这一世纪难题提供了全新解决方案。

研究团队首先采用PacBio-Hifi和Hi-C技术组装了首个T2T水平的美洲黑杨"丹红"基因组(419.4 Mb)，其Scaffold N₅₀达22.0 Mb，95.5%序列锚定至19条染色体。通过比较基因组分析发现1,395个与生长发育相关的特有结构变异(SVs)。随后对765株多世代杂交群体进行全基因组重测序，利用III\mrMLM模型开展GWAS分析，鉴定出135个QTNs。在基因组选择方面，系统评估14种统计模型和多种标记筛选策略，最终使胸径(DBH)性状的预测精度(PA)提升至0.730，较全标记模型平均提高136.34%。

关键技术包括：1)基于多平台测序的T2T基因组组装；2)765株多世代杂交群体的全基因组重测序(平均深度20×)；3)III\mrMLM多性状GWAS分析；4)14种GS模型的系统评估与优化；5)极端材料转录组验证。

测序、组装和DHY基因组评估
通过比较现有杨树基因组的比对率，发现其难以满足多世代杂交群体分析需求。研究组装的"丹红"基因组BUSCO完整度达98.7%，序列准确率99.99%，显著优于已发表的P.trichocarpa v4.1等基因组。Hi-C互作图谱显示19条染色体中16条达到T2T水平，成功预测所有着丝粒区域，其中最长着丝粒位于11号染色体(3.84 Mb)，这些区域基因密度(7.12基因/Mb)显著低于基因组平均水平。

全基因组比对和结构变异分析
与毛果杨基因组比较发现，三个美洲黑杨基因组间存在高度共线性，但共有2,902个SVs可能代表种间差异。DHY特有的1,395个SVs影响2,875个基因，包括IAA26、ARF22等与抗逆性和生长发育相关的关键基因。

群体结构与性状关联
765个个体分为4个遗传簇，参考群体与育种群体遗传结构相似。生长与材性性状遗传力(H²)差异显著，DBH(0.87)和基本密度(0.80)较高，而微纤丝角(0.13)最低。GWAS发现共定位QTN Chr01_18689600上下游16 kb内的RPS16(核糖体蛋白)和CCOAOMT2(木质素合成酶)基因，其单倍型间表型差异极显著(P<0.001)。

基因组选择模型优化
机器学习模型(RF、GBDT)对低遗传力性状预测优势明显。通过GWAS辅助标记筛选，使各性状PA平均提升136.34%，其中DBH的PA达0.730。计算效率方面，连锁不平衡(LD)优化使标记数从114万降至7.4万，运算时间缩短45倍。

多性状基因组选择育种
基于最优模型预测，筛选出28个优良无性系，其GEBV值较群体均值提高9.76%-22.02%，田间验证显示实际增益达7.29%-16.53%。根据不同育种目标(建筑材或纸浆材)分别选出3个和6个特用无性系。转录组分析发现383个SVs相关基因和30个GWAS候选基因在极端材料中差异表达，其中RPS16表达量与生长性状呈正相关(r=0.87-0.91)，而CCOAOMT2呈负相关(r=-0.71--0.83)。

该研究通过整合T2T基因组、多世代群体和跨组学分析，建立了美洲黑杨基因组选择育种的技术体系。其创新性体现在：1)首次将T2T基因组用于林木GS研究，填补着丝粒区域研究空白；2)开发GWAS辅助的标记筛选策略，显著提升模型PA；3)实现生长与材性性状的协同预测。这些突破不仅将传统育种周期从20年缩短至3-5年，更通过GEBV早期预测解决了多性状聚合育种难题，为其他林木树种提供了可借鉴的技术范式。特别值得注意的是，研究中发现的着丝粒区域低基因密度特征和SVs相关基因，为解析美洲黑杨速生抗逆的分子机制开辟了新视角。