核心種質(zhì)資源庫概念_研究進(jìn)展及構(gòu)建的意義

一、核心種質(zhì)資源庫概念：什么是核心種質(zhì)？

核心種質(zhì)資源（core?collection），即保存的種質(zhì)資源的一個(gè)核心子集，是采用一定方法，從保存的某一物種種質(zhì)資源中抽取的一個(gè)核心子集，以最少的遺傳資源樣本量最大限度地代表包括地理分布在內(nèi)的整個(gè)資源群體的遺傳多樣性，而未列入核心種質(zhì)的其它資源材料則作為保留樣本予以保存。因此核心種質(zhì)可以作為種質(zhì)資源群體研究和利用的切入點(diǎn)，從而提高整個(gè)種質(zhì)庫的管理和利用水平。

二、核心種質(zhì)研究進(jìn)展

1984年，F(xiàn)rankel等人首次提出了核心種質(zhì)（core?collection）的概念。近幾十年來，核心種質(zhì)發(fā)展迅速，已在多種植物上建立核心種質(zhì)，特別是近幾年分子標(biāo)記和測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得基于高密度SNP標(biāo)記構(gòu)建核心種質(zhì)成為可能，對(duì)種質(zhì)資源的群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性研究也愈加深入。如（Girma?et?al.,?2020）等用879,407個(gè)SNP對(duì)2010份埃塞俄比亞高粱種質(zhì)資源進(jìn)行核心種質(zhì)資源鑒定，選擇了387個(gè)（種質(zhì)資源的20%）種質(zhì)作為核心種質(zhì)；（Kumar?et?al.,?2020）等用3,565,117個(gè)高質(zhì)量SNP對(duì)3004份水稻進(jìn)行核心種質(zhì)鑒定，得到一個(gè)包含520個(gè)種質(zhì)的微核心種質(zhì)，結(jié)果表明其代表了原有樣品的所有表型和地理來源；（Milner?et?al.,?2019）等對(duì)22,621份庫存大麥種質(zhì)資源基因組多樣性進(jìn)行研究，共選出1000份作為其核心種質(zhì)集。除此之外，還有芝麻、小麥、棉花、甘薯、葡萄、杏、黃瓜、茄子、杉木、馬尾松等多種植物成功構(gòu)建了核心種質(zhì)資源庫。

三、核心種質(zhì)研究技術(shù)路線

四、核心種質(zhì)材料選擇

種質(zhì)資源分為兩個(gè)層次，一是某個(gè)物種的所有種質(zhì)資源；另一是特定種質(zhì)資源。對(duì)于一個(gè)物種所有的種質(zhì)資源，應(yīng)盡可能選擇整個(gè)較多的該物種的材料；對(duì)于特定的種質(zhì)資源，可以選取不同地理位置性狀、表型性狀變異廣泛的材料、品種之間具有差異（野生種/馴化種/地方品種等）的材料。材料的選擇直接決定了核心種質(zhì)的表型和遺傳變異組成，因此，選擇用于篩選核心種質(zhì)的材料應(yīng)盡可能地保證種質(zhì)資源的遺傳多樣性。

五、核心種質(zhì)構(gòu)建方法

如前所述，核心種質(zhì)是要以最少的遺傳資源數(shù)量最大限度地代表包括地理分布在內(nèi)的整個(gè)資源群體的遺傳多樣性。所謂核心種質(zhì)構(gòu)建是指采用一定的方法從現(xiàn)有的種質(zhì)資源的總樣品中提取符合上述目標(biāo)的核心種質(zhì)。最初，包含形態(tài)和農(nóng)藝性狀的表型數(shù)據(jù)被用來創(chuàng)建核心集合，而現(xiàn)在分子標(biāo)記作為測(cè)量遺傳變異的中性工具已成為選擇的工具。核心種質(zhì)的構(gòu)建有不同的方法，（Lee?et?al.,?2020）利用PowerCore，根據(jù)從南瓜基因組中均勻分布的2071個(gè)SNP計(jì)算出的遺傳變異，從595個(gè)原始種質(zhì)中選出67個(gè)核心種質(zhì)；（Xu?et?al.,?2020）利用?Core?Hunter?II的Mstrat策略，從204個(gè)青藏高原青稞種質(zhì)中篩選得到41個(gè)核心種質(zhì)；（Liu?et?al.,?2020）利用LDSS方法對(duì)湖北省內(nèi)分布份208個(gè)重齒當(dāng)歸進(jìn)行核心種質(zhì)鑒定，發(fā)現(xiàn)包含42個(gè)種質(zhì)的核心種質(zhì)集能更好地代表原始種質(zhì)。從以上可以看出，不同的研究者在在不同物種核心種質(zhì)構(gòu)建過程中所采用的方法不盡一致，不管用哪種方法，前提都需要對(duì)整個(gè)種質(zhì)資源的群體結(jié)構(gòu)和多樣性組成有足夠的了解，根據(jù)遺傳變異標(biāo)記（SNP）數(shù)據(jù)，結(jié)合多種評(píng)估措施（Modified?Rogers?distance、Shannons?Diversity?Index等）進(jìn)行加權(quán)處理，篩選出具有高多樣性、高代表性和高等位基因豐富度的材料。

六、核心種質(zhì)的評(píng)估

構(gòu)建好的核心種質(zhì)采用何種方法去評(píng)估核心樣品對(duì)整個(gè)種質(zhì)資源多樣性的代表性同樣是核心種質(zhì)研究中的重點(diǎn)。目前，大多數(shù)研究者結(jié)合不同的方法對(duì)核心種質(zhì)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，通過對(duì)原始種質(zhì)材料和篩選的核心種質(zhì)材料進(jìn)行主成分分析，評(píng)估種質(zhì)篩選的準(zhǔn)確性，原則上，基于核心種質(zhì)繪制的主成分圖和所有材料的分布圖趨勢(shì)吻合，就能說明篩選結(jié)果的合理性；計(jì)算常規(guī)的遺傳多樣性指標(biāo)：觀測(cè)雜合度（Observed?heterozygosity）、期望雜合度（Expected?heterozygosity）、Nei遺傳多樣性（Nei?diversity?index）、香濃維納多樣性指數(shù)（Shanon-Wiener?index）、多態(tài)性信息含量（PIC），對(duì)原始種質(zhì)材料以及篩選的核心種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)；另外還包括等位基因評(píng)價(jià)和表型評(píng)價(jià)。

七、總結(jié)

核心種質(zhì)可以最大限度地去除原始種質(zhì)資源中的重復(fù)，以最少的種質(zhì)材料代表原始種質(zhì)資源的全部或大多數(shù)遺傳多樣性和地理來源，為當(dāng)前越來越多的種質(zhì)資源收集、評(píng)價(jià)和利用帶來了便利，特別是隨著基因組學(xué)的發(fā)展，測(cè)序成本的極速下降，使得大規(guī)模群體測(cè)序得以實(shí)現(xiàn)。利用高分辨率的分子標(biāo)記，提升遺傳材料間遺傳相似度和雜合度的鑒別能力，從而選擇能夠代表整個(gè)種質(zhì)資源基因多樣性的大小合理的核心種質(zhì)材料，更加有助于種質(zhì)資源的保存、管理、使用。使得我們可以有重點(diǎn)地進(jìn)行優(yōu)異種質(zhì)的研究，結(jié)合GWAS分析、遺傳進(jìn)化分析、QTL定位、特有標(biāo)記開發(fā)等方法進(jìn)一步進(jìn)行基因的挖掘與克隆，提高種質(zhì)資源的利用效率。

八、案例分享

Genome-wide?assessment?of?population?structure?and?genetic?diversity?and?development?of?a?core?germplasm?set?for?sweet?potato?based?on?specific?length?amplified?fragment?(SLAF)?sequencing?[1]

研究材料：197份甘薯種質(zhì)資源（50個(gè)地方品種和147個(gè)栽培品種）

主要內(nèi)容：本研究利用SLAF-seq技術(shù)對(duì)甘薯的50個(gè)地方品種和147個(gè)栽培品種進(jìn)行簡(jiǎn)化基因組測(cè)序，開發(fā)共得到了62,363個(gè)SNP標(biāo)記，基于這些SNP對(duì)本研究的197個(gè)甘薯種質(zhì)資源進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性評(píng)估，群體結(jié)構(gòu)分析將材料分為三組；利用系統(tǒng)發(fā)育樹評(píng)估材料之間的遺傳關(guān)系，同樣將所有材料分為三個(gè)組。主成分分析?(PCA)?表明，這些種質(zhì)根據(jù)其種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布。此外，計(jì)算了種質(zhì)間的平均遺傳距離、平均多態(tài)信息含量?(PIC)?和平均次要等位基因頻率?(MAF)?。使用?CoreHunter?軟件，鑒定得到了包含39?個(gè)材料的核心種質(zhì)，約占總種質(zhì)資源的19.8%。并對(duì)核心種質(zhì)從PCA分析、遺傳多樣性、等位基因數(shù)層面進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本研究開發(fā)的甘薯核心種質(zhì)將為未來甘薯育種改良提供寶貴的種質(zhì)資源。

Core?set?construction?and?association?analysis?of?Pinus?massoniana?from?Guangdong?province?in?southern?China?using?SLAF-seq?[2]

研究材料：149份馬尾松種質(zhì)資源（來源于廣東省9個(gè)不同的地點(diǎn)）

主要內(nèi)容：在本研究中，采用SLAF-seq技術(shù)對(duì)從中國(guó)廣東收集的149份馬尾松（Pinus?massoniana）材料進(jìn)行測(cè)序，從599,164個(gè)多態(tài)性SLAF標(biāo)簽中鑒定了471,660個(gè)SNP標(biāo)記。群體結(jié)構(gòu)分析表明，149份馬尾松不能劃分成明顯的亞種群。使用遺傳距離和種群結(jié)構(gòu)來選擇核心種質(zhì)，篩選出包含29個(gè)材料的核心種質(zhì)，分別與樹脂產(chǎn)量和木材體積相關(guān)。對(duì)122份馬尾松材料進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，包括不同高度(HT)、胸徑(DBH)、樹脂質(zhì)量(RW)、木材體積(VW)和樹脂產(chǎn)率(RYC)，使用mrMLM、FASTmrMLM、FASTmrEMMA和ISIS?EM-BLASSO檢測(cè)到大量的SNP與性狀HT、DBH、RW和RYC顯著相關(guān)。馬尾松核心種質(zhì)為未來的改良育種提供寶貴的資源。

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