硬核！华中农大科研结果登上《自然》期刊 揭秘水稻如何被驯化

2021年9月28日，Nature Communications在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室水稻团队、湖北洪山实验室李一博教授课题组题为“The identification of grain size genes by RapMap reveals directional selection during rice domestication”的研究论文。该研究开发了一种快速、高通量克隆数量性状位点（QTL）基因的新方法——RapMap（图1），发现了单位点遗传的本质判断标准，快速克隆了8个水稻种子大小QTL基因，并揭示了籼稻细长粒形是在水稻长期驯化和改良进程中定向选择的结果。

图1 RapMap定位克隆QTL基因的原理和流程

作物的产量、品质以及抗生物和非生物胁迫相关性状大多是由QTL控制的，对这些QTL进行遗传解析和分子克隆是理解遗传多样性与遗传改良作物的基础。获取单位点分离的遗传定位群体，是克隆QTL基因的先决条件。传统QTL克隆方法通过构建复杂遗传群体（RIL、MAGIC和NAM等）进行QTL定位、利用高级作图群体（NIL、SSSL和IL）实现单位点遗传，但是该过程耗时耗力，大大限制了QTL基因克隆的效率和应用进程。

为提高获取单位点遗传群体的效率，该研究首先根据显性、半显性和超显性三种遗传效应总结出了12种单位点遗传分离模型，并在此基础上提出单位点遗传分离的本质特征是在任意遗传分离群体中目标QTL/基因区段的两种纯合基因型能够与对应表型共分离，即共分离标准（图1c）；该“共分离标准”是单位点遗传的充要条件，对遗传学中单位点遗传分离的传统判断标准（如双峰分布、3:1分离比等）起更正和澄清的作用，这一判断标准的更新，大大提高了获取单位点分离群体的效率和可能性。为了最大可能地满足分离群体的共分离标准，该研究提出并实践了从核心种质选取表型差异较小的双亲构建一系列F2梯度群体（F2GP）进行遗传定位的策略（图1a），以期最少化每个遗传群体中控制目标性状的分离位点数量，并克隆不同双亲组合中的主效QTL；不满足共分离标准的群体，可通过自交低、中、高值的F2或F3的若干家系，根据后代分离情况，选取目标区段杂合而背景分离位点纯合的家系来实现单位点分离。F2梯度群体结合单位点遗传的共分离标准，实现了QTL定位、验证及其类近等基因系（NIL-LL）筛选的“三位一体”的基因定位与克隆策略，大大节省了获取单位点遗传定位群体的时间和成本。该研究通过构建15个种子大小F2梯度群体，在三年内克隆了8个种子大小基因（图2），其中除了GS3、GW5、GS2、GW8和GW7/GL7等已报道基因外，还有两个新基因GL1和GW5.1及两个GS3强功能新等位基因GS3-5和GS3-6也得到克隆，这表明RapMap在QTL克隆方面具有较大潜力。

图2 粒长和粒宽F2梯度群体的亲本组合