模块育种和全基因组关联分析等技术将成为未来育种的重要手段

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆现代农业科技情报研究团队

袁建霞（E-mail:yuanjx@mail.las.ac.cn）、杨艳萍、董瑜

审稿专家：中科院遗传与发育生物学所薛勇彪研究员

近年来，随着分子生物学、组学和系统生物学等交叉学科的迅猛发展以及基因组测序等技术的不断突破，分子标记辅助选择和转基因技术逐渐成为当前动植物育种的重要技术途径之一，并取得了突破性进展，但其同时也显现出一些迫切需要解决的难题。由于动植物重要农艺（经济）性状都是由多基因控制的复杂性状，单一或少数基因的改良不足以引起目标性状的整体优化。因此，具有高效、定向、高通量特点的模块育种与全基因组关联分析等技术将成为未来育种的重要手段。

1 主要科技内涵

模块育种是基于农业生物复杂性状改良提出的一种新型育种理念，主要包括：（1）发掘和解析分子模块，即分析控制农业生物复杂性状的重要基因及其等位变异，解析功能基因及其调控网络的可遗传操作的功能单元；（2）阐明分子模块耦合机理，利用计算生物学和合成生物学等手段将分子模块有机耦合，分析模块互作对复杂性状的综合调控潜力，并开展理论模拟和功能预测，实现模块群与遗传背景及区域环境三者的协调统一；（3）在全基因组水平上进行多模块的优化组装，设计有效育种方案，实现复杂性状的定向改良[1]。

全基因组关联分析（genome wide association study，GWAS）是一种高通量分析分子标记与表型间关联关系的方法，主要利用遍布于整个基因组的分子标记（目前主要是SNP）与统计学工具对影响复杂性状的遗传变异进行鉴定和分析[2，3]。该技术能够降低大样本全基因组水平分析的成本，加快动植物分子育种的研究进程。

模块育种技术的突破将会解析和阐明动植物重要复杂性状的遗传网络及其分子模块控制理论，获得具有重要育种价值的分子模块，并建立多模块耦合的遗传操作技术，解决现有育种技术瓶颈，实现动植物复杂性状的分子设计育种。全基因组关联分析技术的发展将有助于开发出大样本、低丰度的基因组测序和基因分型方法，高效鉴定大量复杂性状的相关基因及发掘动植物遗传变异，从而达到在整个农业物种范围内选择和利用种质资源，实现品种优良遗传性状的最佳组合。

2 对科技进步和经济社会发展的影响

模块育种是生命科学前沿问题与育种实践的有机结合，将引领育种技术革命的新方向，提高动植物育种技术水平，增加农产品产量，并改善农产品品质。全基因组关联分析不仅会丰富动植物标记辅助选择中可利用的分子标记，而且还会为这些性状分子机理的探索研究提供重要线索。这两项技术将共同推动我国生物育种战略性新兴产业的发展，对保障国家粮食安全、提高农业综合生产力及农产品国际竞争力起到重要作用[4]。

3 国内外研究进展

模块育种目前尚处于起步阶段，大量研究主要集中在重要基因或QTL及其等位变异挖掘等前期工作上。虽然现阶段尚未真正实现模块化设计育种，但一些重要成果表现出了模块化功能的特征，如在小麦中导入黑麦1BL/1RS染色体置换片段，该天然育种模块的应用已培育出了大量高产、抗病新品种；利用银鲫雌核生殖和两性生殖双重生殖方式培育出的异育银鲫“中科3号”，就是一个新的核质杂种克隆品种，其平均增产超过20%[1]。此外，一些育种模拟工具也日益成熟。

全基因组关联分析技术在动植物育种中的应用主要集中在对影响复杂性状的标记及主效基因的挖掘上，目前已在动植物上发现了多个具有较强统计显著性的分子标记及区域[5，6]。在植物方面，已利用SSR、AFLP等标记对玉米、小麦、大麦、大豆、水稻等作物的重要农艺性状进行了全基因组关联分析[7]。在动物方面，已开发出牛、猪、马和鸡的大量SNP标记，推出高密度芯片，并对重要经济性状及复杂疾病抗性等开展了全基因组关联分析[2]。

4 中国的优势

“分子模块设计育种”是中科院科学家在2008年率先提出的新型育种理念，现已形成了“分子模块设计育种创新体系”的实施方案。我国在模块育种和全基因组关联分析的基础性工作上已取得显著进展：基因组学研究处于国际领先行列，先后完成了水稻、小麦、棉花、鲤鱼、草鱼、山羊等多种动植物品种的全基因组测序；基因组研究新技术的开发与应用取得显著进展，开发了基于高通量基因组测序的基因型鉴定方法，成功开展了水稻、奶牛、猪、鸡等重要性状的基因组关联分析；完成了一大批有重要应用前景的动植物基因的克隆与功能解析，已建成包括水稻大型突变体库、全长cDNA文库、全基因组表达谱芯片等大型功能基因组研究平台；蛋白质组、代谢组、表型组等系列“组学”平台建设也日趋完善。

5 未来10年中国可能取得的重大科技突破

未来5—10年，我国在模块育种领域将有可能实现以下3个重大科技突破：

（1）“分子模块辞海”。水稻复杂性状全基因组编码规律。“分子模块育种体系”通过基因组测序、全基因组关联分析等多种组学手段，发掘和鉴定水稻高产、稳产、优质、高效等的分子调控网络，揭示复杂性状形成的分子模块基础，系统解析和获得水稻复杂性状的分子模块，并在相同遗传背景下检测其生物学效应，阐明基因型-表型的对应关系，并最终编纂成对水稻乃至其他禾谷类等育种改良具指导意义的基于网络开放式的、最权威的数据库集成。

（2）多模块非线性耦合理论。利用模型，根据各分子模块元件在自然群体中的单倍体型组合及分子模块信息，模拟计算不同分子模块在单个复杂性状形成以及不同复杂性状相互影响中的耦合效应：①明确控制单一复杂性状的主效模块、微效模块；②解析单一复杂性状主效模块与主效模块、主效模块与微效模块、微效模块与微效模块间的复杂互作关系（如显性、叠加、上位、拮抗等效应），及其在该性状形成中的决定性作用；③模块及模块间相互作用对于系统特定性状的鲁棒性的影响；④解析不同复杂性状形成中主效模块与微效模块的互作关系，阐明各模块在不同复杂性状形成的动态效应及控制不同复杂性状各主效模块对其他性状形成的效应等，从而揭示“一因多效”及“多因一效”的分子机制，进而为在作物多性状系统水平的优化提供理论基础。然后，通过杂交组合群体（如重组自交系、近等基因系、单片段替换系等），找出遗传背景一致、只有特定分子模块元件及其组合进行替代的多个个体，对上述的分子模块元件在单个复杂性状形成以及不同复杂性状相互影响中的耦合效应进行验证，在此基础上进一步调整多模块耦合效应模型建立中的各个参数和函数，经过循环调整，最终建立“多模块非线性耦合理论”。

（3）“全基因组导航”分子模块设计育种技术。“全基因组导航”育种技术，是专门为解决常规育种技术瓶颈而设计产生的。通过“全基因组导航”，可让育种家从一个庞大育种群体中，高效而又针对性地选择最理想基因型个体，并最终塑造成理想的推广品种。“全基因组导航”将第一次系统地描述和建立分子模块设计育种理论体系，通过对已有基因组进行扫描检测，从而获得基因组的海量信息。利用这些信息并结合云计算技术，构建一门新的育种理论和技术。通过它可以快速、准确地预测杂交群体中哪一个体是聚合众多优良基因型的个体。同时也可根据育种家的需要，高效预测现有推广品种中所遗缺或者需要改良的基因型组合，为育种家培育理想品种提供最佳育种策略和方案。

1 薛勇彪，段子渊，种康等.面向未来的新一代生物育种技术——分子模块设计育种.中国科学院院刊.2013,28（3）：308-314.

2 王继英，王海霞，迟瑞宾等.全基因组关联分析在畜禽中的研究进展.中国农业科学.2013,46（4）：819-829.

3 Aranzana M J,Kim S,Zhao K et al.Genome-wide association mapping inArabidopsis identifies previously known flowering time and pathogen resistance genes.Plos Genetics,2005,1（5）：e60.

4 中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社,2013.

5 Hansen M,Kraft T,Ganestam S et al.Linkage disequilibrium mapping of the bolting gene in sea beet usingAFLP markers.Genetical Research,2001,77（1）：61-66.

6 李聪,孙东晓,姜力等.奶牛重要经济性状全基因组关联分析研究进展.遗传，2012，34（5）：545-550.

7 张雁明，邢国芳，刘美桃等.全基因组关联分析：基因组学研究的机遇与挑战.生物技术通报，2013,1-6.