網(wǎng)易探索11月5日報(bào)道 由中科院上海生命科學(xué)研究院、北京基因組研究所、中國水稻研究所等單位合作的研究成果《水稻地方品種重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的全基因組關(guān)聯(lián)分析》，日前在線發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》（Nature Genetics）雜志上。

該研究報(bào)道了中國水稻地方品種的全基因組的遺傳多態(tài)性和單倍體型圖譜，并對秈稻品種的14個(gè)重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，確定了這些農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因位點(diǎn)，對水稻的遺傳學(xué)研究和分子育種提供了重要資源。

論文一經(jīng)發(fā)表，便迅速引起了世界同行的關(guān)注，許多人稱之為作物遺傳學(xué)研究中里程碑式的工作。

《自然—遺傳學(xué)》副主編Pamela Colosimo介紹，這篇論文從編輯部到同行專家評議都獲得了高度評價(jià)，是她在該雜志遇到的發(fā)表最為順利的一篇論文。中科院副院長李家洋也對研究團(tuán)隊(duì)的成果表達(dá)了高度贊賞。

功不可沒的GWAS

全基因組關(guān)聯(lián)研究（Genome-wide Association Study，簡稱GWAS）是一種用來尋找基因變異與表型之間關(guān)系的遺傳學(xué)方法，最近幾年在人類醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展迅速。

以常見人類遺傳疾病的GWAS為例，研究者首先要選取一個(gè)較大的人群樣本，考察哪些是患者，然后提取他們的DNA進(jìn)行全基因組范圍的基因分型，最終從成千上萬個(gè)分子標(biāo)記中找出與該表型相關(guān)的基因。

到目前為止，世界各地的研究人員已經(jīng)對數(shù)百種疾病（如腫瘤、心血管病、糖尿病、肥胖癥、精神疾病等）進(jìn)行了GWAS分析，確定了大批疾病易感區(qū)域和相關(guān)基因，發(fā)現(xiàn)了一些與疾病相關(guān)的基因突變位點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)對相關(guān)疾病的診斷和藥物設(shè)計(jì)都起到了推動作用。

GWAS雖然高效并且前景廣闊，但卻少不了前期大量的平臺性工作。以人類GWAS為例，在人類基因組測序完成后，科學(xué)家又花了3年多的時(shí)間完成了“國際人類基因組單體型圖計(jì)劃”（HapMap project）。他們對全球三大人種（黑種人、白種人和黃種人）中的數(shù)百個(gè)樣本進(jìn)行了基因分型，獲得了一份人類基因組中常見變異位點(diǎn)的詳細(xì)圖譜。

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家又從中選取出覆蓋全基因組的代表性的分子標(biāo)記位點(diǎn)，開發(fā)出高通量的基因芯片，對數(shù)百萬個(gè)常見的變異位點(diǎn)進(jìn)行了批量檢測。在這些工作的基礎(chǔ)上，人類的全基因組關(guān)聯(lián)研究才變成了一條常規(guī)的技術(shù)路線。

從人到水稻的跨越

水稻是重要的糧食作物，也是植物基因組學(xué)研究的模式作物。中國是水稻種植大國，稻區(qū)遼闊，南至海南省，北至黑龍江省。水稻種植在中國也有著長達(dá)幾千年的栽培歷史。

如此廣闊的時(shí)間和空間跨度，形成了大量的水稻地方品種。這些品種適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，形成了許多獨(dú)特的農(nóng)藝性狀。闡明這些地方品種的重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)對于提高水稻的產(chǎn)量和抗逆性，改良水稻品質(zhì)以及保障我國糧食安全都非常重要。

對水稻基因的克隆和功能研究，國際上通常都采用圖位克隆的方法。但是對于多基因控制的重要農(nóng)藝性狀，還沒有非常有效的研究手段。

那么能否借鑒在人類遺傳學(xué)研究中大獲成功的GWAS方法呢？國際上許多同行對此表示質(zhì)疑，他們認(rèn)為這種方法在自交的水稻材料上很難實(shí)現(xiàn)。

但中國科學(xué)院國家基因研究中心主任韓斌和他的研究團(tuán)隊(duì)卻認(rèn)為，如果GWAS方法在水稻中也能夠?qū)崿F(xiàn)，將對高效挖掘水稻地方品種的遺傳資源起到很好的指導(dǎo)作用，所以他們還是決定試一試。

與人類的GWAS類似，水稻的GWAS同樣需要搭建一個(gè)前期的平臺。

研究團(tuán)隊(duì)挑選了栽培稻兩大亞種（粳稻和秈稻）的500余份地方品種，測定了它們的全基因組序列，從而構(gòu)建出一張高密度的水稻單體型圖譜。

在這張圖譜的基礎(chǔ)上，研究者對秈稻的14個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了GWAS分析。這些性狀包括水稻株型、產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)和生理特征等不同的方面。通過遺傳學(xué)分析，這些農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因位點(diǎn)得以確定。這些發(fā)現(xiàn)為水稻遺傳學(xué)研究和水稻育種提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并開辟了新的研究途徑，是水稻遺傳學(xué)研究的重要進(jìn)展。

青出于藍(lán)而勝于藍(lán)

與人類GWAS不同的是，這份水稻GWAS的平臺工作為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家提供了一份永久性的資源，這些具備詳細(xì)基因型圖譜的水稻地方品種可供人們在不同年份、不同地點(diǎn)、針對不同農(nóng)藝性狀進(jìn)行多次考察。將來，人們還可通過有選擇性地兩兩雜交獲得需要的后代組合，供水稻遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)及育種工作使用。

該研究還首次成功開發(fā)出大樣本、低豐度的基因組測序和基因分型方法。通俗地說，就是對每個(gè)樣品只進(jìn)行低覆蓋率的測序，獲得部分信息，而后借助這些信息，通過不同樣品、不同基因組區(qū)域間復(fù)雜的關(guān)系，相互借鑒，最終把丟失的信息重新找回來。該方法大大節(jié)省了科學(xué)投入，而最終獲得的圖譜質(zhì)量卻絲毫不差。

這種高通量和低成本的方法加上水稻相對較小的基因組，使得500多份水稻的測序成本僅相當(dāng)于人類基因組中一個(gè)人的高倍測序。以這種方式鑒定基因組變異，構(gòu)建單倍體圖譜用于全基因組關(guān)聯(lián)研究在世界上還屬首次。

《自然—遺傳學(xué)》專門同期配發(fā)了Richard M Clark的一篇評論文章，稱水稻全基因組關(guān)聯(lián)分析的時(shí)代終于來臨了。Clark是全球知名的植物分子遺傳學(xué)家，在德國馬普研究所工作期間完成了擬南芥單體型圖譜的構(gòu)建，目前在美國猶他州大學(xué)參與擬南芥的1001基因組計(jì)劃。

在這篇評論中，Clark展望道：“將來在水稻以及更多其他的物種中，這種低覆蓋率、大樣本的高通量測序分析方法可以實(shí)現(xiàn)對遺傳變異的高效發(fā)掘，前景極好。”（來源：科學(xué)時(shí)報(bào)）