植物保护学院李兰芝副教授开发表型代际效应联合分析流程(JPEG) 鉴定杂交稻稻米品质性状关联位点

本网讯（植物保护学院 张莹钧）水稻(Oryza sativa L.)是人类重要的粮食作物之一，水稻杂交种的产量高于常规自交系品种，由于杂交稻存在显性等非加性效应，稻米品质的遗传改良比自交稻更具挑战性。2023年7月4日，国际著名学术期刊Nature Communications发表我院生物信息学团队李兰芝副教授联合美国华盛顿州立大学张志武教授团队和武汉大学胡中立教授团队等国内外多家单位完成的题为“Joint analysis of phenotype-effect-generation identifies loci associated with grain quality traits in rice hybrids”的研究论文。该研究开发了表型(Phenotye)、效应(Effects)和世代(Generation)联合分析的流程——表型代际效应分析流程(JPEG)，以鉴定杂交稻稻米品质性质关联位点，大幅提高了杂交水稻全基因组选择预测精度，为水稻杂交育种工作提供指导。

图1 表型、效应和世代联合分析流程示意图

研究基于113个自交系(父本)与5个测交系(母本)，首先对亲本进行全基因组重测序，获得1619588个单核苷酸多态性位点（SNP）的基因型，再推断了565个杂交后代(113×5)的SNP基因型；对亲本自交系(V)和测交子代 (T)的12个稻米品质性状进行表型测定，计算获得亲本的一般配合力(G)和测交子代的杂种优势(H)，对V、T、G和H分别进行标准化，形成联合表型(Y)。分别记录或推出自交系品种 (V)和测交子代(T)的加性基因型(A)和显性基因型(D)，构建联合表型、加-显效应、多世代的表型代际效应分析流程（JPEG），对稻米的12个品质性状进行全基因组关联研究，鉴定出128个位点与这些性状存在显著关联，其中加性效应、显性效应、同时含加性和显性效应的关联位点分别为44个、97个和13个（图2）。相比于传统的加性模型，JPEG实现了加-显效应同时分析的模型，不仅挖掘到更多稻米品质性状关联的加性和显性位点，且能分析加性、显性位点间的关系。研究结果表明测交子代稻米品质性状加-显性模型的遗传力（H2_Total(T)）远高于加性或显性模型的遗传力（H2_Add(T)和H2_Dom(T)）, 说明非加性遗传效应是杂交稻稻米品质性状的重要遗传基础。

同时，该研究基于加-显性位点的gBLUP全基因组预测方法对测交子代群体进行了交叉独立预测，其预测精度远高于基于加性效应模型gBLUP法。且这些位点能解释测交子代每个性状表型中30%以上的总遗传变异（包括加性效应和显性效应，图3）。JEPG pipeline (https://github.com/jiabowang/JPEG) 可同时解析杂交稻的加性和显性遗传基础，进一步可发展为解析包含上位性等非加性效应等复杂遗传机理的分析流程，为优质杂交种选育提供帮助。湖北省农科院粮食作物研究所郑兴飞博士和西南民族大学青藏高原研究院王嘉博博士为共同第一作者，美国华盛顿州立大学张志武教授和武汉大学胡中立教授为共同通讯作者。

本研究得到了国家科技部、湖南省科技厅、美国华盛顿州立大学、杂交水稻全国重点实验室（武汉大学）等的资助。

图2利用JPEG分析流程进行全基因组关联分析得到杂交水稻稻米品质性状关联位点

图3 基于加性和显性位点的杂交稻稻米品质性状基因组遗传力和预测精度

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39534-x

（审稿 张爱龙）