中国与美国大豆分化选择的基因组解析揭示互惠改良路线图

《Journal of Integrative Plant Biology》：Genomic dissection of divergent selection reveals a roadmap for reciprocal improvement of Chinese and American soybean

　　

大豆（Glycine max [L.] Merr.）于五千多年前在中国被驯化；然而，其全球扩张导致中国和美洲形成了两个不同且独立进化的育种池。尽管区域性育种已优化了特定性状，但仍缺乏对这些“育种特异性”有益等位基因进行互惠交换的全面路线图。在此，研究人员对2,377份大豆种质进行了大规模基因组解剖，整合了840万个高质量单核苷酸多态性（SNPs）与11个地点的多环境表型。通过全基因组关联研究（GWAS），研究人员鉴定了控制六种关键农艺性状的261个显著位点（223个为新位点），揭示中国和美洲种质分别积累了种子大小/蛋白质（中国）和油分/产量（美洲）的不同有益等位基因集合。为利用这一尚未开发的潜力，研究人员开发了大豆定向改良导航系统（STINS），该框架整合了群体基因组学、GWAS和基因组选择（GS）。研究人员证明了通过基因修饰在群体间进行靶向有益等位基因导入以实现快速性状改良的潜力。通过CRISPR/Cas9介导敲除一个美国品种中的GmST05，以及在一个中国品种中过表达抗性GmSNAP18单倍型，概念验证性功能评估为STINS预测的蛋白质含量和大豆胞囊线虫（SCN）抗性改良靶点提供了实验支持。该研究提供了用于“知识驱动设计育种”的可导航基因组资源，并提供了全球优良等位基因交换蓝图，以保障未来粮食安全。

大豆（Glycine max [L.] Merr.）起源于中国，约五千年前被驯化，随后向全球扩散并在中国和美洲形成两个独立进化的育种池。中国育种长期重视蛋白质含量、百粒重和SMV抗性，美洲育种更重视油分、单株粒重和SCN抗性，导致两地种质在基因组和表型上明显分化。然而，此前缺乏对两地“育种特异性”有益等位基因进行互惠交换的全面路线图；现代品种基因组如何分区、保留多少多样性、哪些位点控制关键农艺性状、多少有价值等位基因尚未利用、能否用于相互改良等问题仍待回答。研究人员因此对2,377份全球大豆种质进行大规模基因组解析，整合8.4百万高质量SNP（单核苷酸多态性，SNP）和11个地点多环境表型，旨在建立整合群体基因组学、GWAS（全基因组关联研究）和GS（基因组选择）的预测育种框架。该研究发表在《Journal of Integrative Plant Biology》，为“知识驱动设计育种”提供可导航基因组资源，并提出全球优良等位基因交换蓝图。

关键技术方法：研究人员使用2,377份全球大豆种质（218份野生、1,101份地方品种、1,058份改良品种；中国改良598份、美国432份、加拿大28份）；1,910份栽培种质在2017—2019年于中国11个地点进行多环境表型评价，覆盖百粒重、单株粒重、油分、蛋白质、SCN（大豆胞囊线虫）抗性和SMV（大豆花叶病毒）抗性；重测序数据来自公开数据库。主要技术包括高质量SNP过滤、NJ树、ADMIXTURE和PCA群体结构、固定指数（F_ST）、π和连锁不平衡（LD）衰减、最佳线性无偏预测（BLUP）、FarmCPU-GWAS、GCTA-GREML估计表型变异解释率（PVE）、区域特异有益等位基因定义、rrBLUP/SVR/RF/LGB基因组选择模拟、大豆定向改良导航系统（Soybean Targeted Improvement Navigation System, STINS）构建，以及CRISPR/Cas9和过表达验证。

结果：
中国与美洲大豆群体遗传结构与多样性。在K=2时，种质分为野生和栽培；K=8时，栽培大豆分为中国黄淮、南方、北方的地方品种和改良品种以及美洲改良品种七个亚群。美洲改良品种与北方地方品种聚类较近，提示其可能源自华北地方品种引种改良。遗传多样性由地方品种Lan最高（1.35 × 10^?3），中国改良品种I_CN次之（1.12 × 10^?3），美洲改良品种I_Am最低（1.08 × 10^?3）；Lan与I_Am的F_ST为0.098，Lan与I_CN为0.068，I_CN与I_Am为0.048。表型上，中国改良品种在百粒重、SMV抗性和蛋白质含量上选择更强，美洲改良品种在单株粒重、SCN抗性和油分上选择更强。

GWAS鉴定大豆育种性状候选基因与位点。利用FarmCPU模型和?Log₁₀(P)=8阈值，研究人员鉴定261个与六性状相关的峰值SNP，对应3,626个候选基因，其中38个为已知位点，223个为新位点。已知基因包括GmST05/GmMFT、GmSNAP18、GmGA3ox1、GmPRR3b、GmSWEET39、POWR1和Dt1。新位点中100个的PVE超过部分已知位点，且多与百粒重和蛋白质含量相关。对代表性位点分析发现，百粒重新位点Gm06-5,660,496、Gm06-13,756,943的有益单倍型在中国频率较高；Gm12-5,506,964为GmPRR3b已知因果SNP，其大粒单倍型Hap1: TT在中国频率略高。蛋白质新位点Gm10-45,121,943和Gm19-46,531,530的高蛋白有益单倍型在中国频率较高。单株粒重位点Gm06-49,320,584和Gm10-45,600,754、油分位点Gm08-46,684,397和Gm08-17,840,625的有益单倍型在美洲频率较高。

中国与美国大豆有益等位基因分布特征。研究人员基于各性状表型效应和育种方向定义有益等位基因。Lan、I_CN和I_Am中累加有益等位基因均与性状值提高相关。对中国优先的三个性状，I_CN积累更多有益等位基因；对美国优先的三个性状，I_Am积累更多。按频率差前20%定义区域特异有益等位基因，共获得60个中国特异有益等位基因（百粒重25、SMV抗性4、蛋白质31）和55个美洲特异有益等位基因（单株粒重20、SCN抗性3、油分32）。这些特异等位基因富集于I_CN和I_Am分化区域，部分重叠已知基因如E3、GmFATA1B；多数为新发现。Ln有益等位基因频率在I_CN为0.37、I_Am为0.05；GmST05/GmMFT高油基因型A频率在I_CN为0.86、I_Am为0.95。

通过模拟遗传修饰进行大豆改良的基因组选择模型。研究人员用rrBLUP、SVR、RF和LGB四种算法进行GS评估。对百粒重和蛋白质含量，I_CN特异等位基因显著提高预测准确率；对单株粒重和油分，I_Am特异等位基因更优；使用I_CN或I_Am全部有益等位基因可提高相应目标性状准确率，合并集合准确率最高。模拟替换显示，用美洲特异有益等位基因改良中国种质，单株粒重替换9个位点、油分替换10个位点可达到I_Am水平；用中国特异等位基因改良美国种质，百粒重替换9个、蛋白质替换4个位点可达到I_CN水平。说明通过基因编辑或遗传修饰进行靶向等位基因导入可快速改良性状。

大豆定向改良导航系统及其育种应用。研究人员构建STINS，整合2,377份种质、六类表型、全基因组基因型、GWAS位点和256个功能位点的中国/美洲特异有益等位基因；算法层包括rrBLUP、SVR、RF和LGB；应用层可进行目标种质选择、性状选择、有利/非有利等位基因检索、可编辑位点排序和模拟修饰后育种值预测。案例验证中，GmSNAP18启动子lead SNP为A/G，GG为有益等位基因，美洲频率高于中国；STINS预测中国品种Huachun6修饰后SCN race 3 female index（SCN3-FI）下降，过表达抗性单倍型显著增强其SCN抗性。GmST05内含子lead SNP为A/C，C为高蛋白有益等位基因，中国频率较高；美国品种Williams 82携带非有益A，CRISPR/Cas9敲除其第一外显子产生移码突变，三个缺失突变体蛋白质含量显著升高。这两个案例为STINS预测蛋白质含量和SCN抗性改良靶点提供概念验证。

讨论部分总结：中国和美洲大豆因不同农业生态、市场和病原压力形成两个重要基因池。群体结构证实二者虽共享中国地方品种祖先，但已形成不同基因组聚类；美洲种质与华北地方品种接近，初始遗传基础较窄，多样性最低，而中国改良品种保留较高多样性，与亲本多样、地理气候复杂和多用途育种目标有关。GWAS验证已知基因并发现223个新位点，扩展了育种可用遗传工具，高PVE新位点提示仍有未开发遗传增益。区域特异有益等位基因量化了选择单元，GS模拟证明其在跨种质改良中的价值；通过少量等位基因替换可缩小表型差距。传统宽杂交受连锁累赘限制，而基因编辑和过表达可精准导入有益等位基因，加速育种周期。STINS代表向知识驱动设计育种的转变。未来需对高价值新位点进行功能表征，并探索有益等位基因间上位互作，以设计最优基因组合，保障全球粮食和饲料安全。

研究结论部分翻译：该研究提供了用于“知识驱动设计育种”的可导航基因组资源，并提供了全球优良等位基因交换蓝图，以保障未来粮食安全。