编者按：种业是国家战略性、基础性、科技性产业。要想端牢中国饭碗，既要保障粮食和重要农产品的稳定安全供给，也要实现种业自主创新，种源自主可控。在重庆，通过一代又一代科研人辛勤培育，勤勉研发，坚韧不拔地扎根土地，种业创新取得标志性的成果和阶段性的进展。城乡统筹发展网特别策划“巴渝良种”系列报道，走进育种科研人的世界，讲述他们科技创新的故事，记录重庆种业创新的斐然成果。
城乡统筹发展网记者 李文萍
在人们的印象中，传统育种是苦熬出来的。亲本的选择、杂交、实验，每一个过程都需要耗费大量的心力，经过漫长的等待和观察。往往经历几代人，才能培养出一个优秀的农作物品种。
为了加速育种进程，新一代技术革命正在孕育发展。分子标记、全基因组、基因编辑、转基因等，从基因层面研究性状表达的技术成为育种界的热门研究方向。
西南大学柑桔研究所、西部（重庆）科学城种质创制大科学中心柑桔团队历时7年，对300多个代表性柑橘种质资源进行深度重测序，筛选出4万余个核心SNP(单核苷酸多态性)位点，开发了柑橘全基因组40K液相育种芯片——橘芯1号。这是世界上柑橘领域第一个全基因组“液相芯片”。
▲ 芯片中4万个SNP位点的分布图
使用这个“芯片”，人们能快速、准确鉴定种质材料的基因型、识别与优良性状相关联的标记或基因，辅助杂交亲本的早期筛选，大大提高柑橘育种的效率和精准度，彰显出科技发展的加速度。
全基因组密码怎么破？
——300多个种质重测序开发“橘芯1号”
国家柑橘种质资源圃(重庆)内现存有1800多份柑橘种质资源，资源数量位列世界第二、全国第一，对柑橘资源的收集、保存、研究具有重要作用。
“橘芯1号”的研发为什么只选择300多个种质?
“柑橘是个庞大的家族，包括橘、橙、柚、柠檬等，但为什么能形成这么多样种质?”中国柑桔研究所品种改良中心李强解释，“归根结底是基因的差异造成的，只有基因差异越大，越能形成一个新的种质。”
这意味着研究同一个（类）种质代表性较差，研究性状差异大的品种才具有借鉴性。
为此，团队精挑细选了差异较大的300多个种质，进行深度重测序，寻找影响不同品种性状差异的“基因密码”。“300多个种质里有市面上的主栽品种，也有野生品种，还有一些杂交材料等等，都具有很强的代表性。”
那么，4万余个核心SNP位点、全基因组液相育种芯片又该如何理解?
李强表示，柑橘的基因组包含9条染色体，总长近400 Mb，我们鉴定了基因组里的4万余个SNP位点，近乎平均分布于整个染色体，也就是柑橘基因中每10000个碱基里就有发掘1个SNP。通俗来讲，10000个碱基可覆盖一个基因的长度。
“平均每个基因段都找了代表性位点，可以说没有遗漏。”李强介绍，团队历时7年，通过对300多个种质的基因组反复关联对比，最终选择4万余个SNP位点，开发了“橘芯1号”。“SNP位点的代表性很强，且均匀分散，密度较高。”
▲ “橘芯1号”的研发历时7年，研究300多个种质
由于种质选择极具代表性，SNP位点高密度，检测一个柑橘品种，“橘芯1号”的位点检出率大于96%，而这也是“橘芯1号”全基因组的内涵。
当前，基因芯片主要有液相、固相和深度重测序等方法，考虑到后两者研发和应用成本较高，团队选择了液相芯片，其在基因分型应用方面的成本仅为传统固相芯片的十分之一。
全基因组如何选择育种？
——4万余个SNP位点关联80多个柑橘性状
近20多年来，分子标记辅助育种通过检测与目标性状紧密关联的DNA分子标记，找到了跟性状相关的目标基因或SNP性状位点，已经成为应用广泛且成熟的技术。但它的局限在于只能对个别SNP位点开展研究，适合受主效基因或主效QTL控制的简单性状的选择，针对产量、抗病性等由微效多基因控制的表达并不能完全“解读”。
“可以说全基因组选择育种是分子标记后的新一代技术，是新技术对旧技术的更新。”李强补充，团队也曾研究过分子标记，并在其基础上开发出“全基因组芯片”辅助育种，通过全基因组的高密度SNP标记，弥补分子标记不能“解读”多基因控制性状的“遗憾”。
既然性状的形成那么复杂，全基因组芯片如何从基因层面进行“解读”？这个问题也成为“橘芯1号”开发的最大难点——如何将性状表现与基因型数据有效关联。针对这个问题，李强举了通俗的例子来阐释。
例如，柑橘的甜度表现并非由单一基因控制，可能跟4万个SNP位点都有关联。团队通过对比观察发现，对每个SNP位点进行“赋值”，比如A位点跟甜度的关联度为90%，B位点跟甜度的关联度为60%，C位点跟甜度的关联度10%，最终通过对所有关联度“赋值”进行统筹运算，得出最终的甜度概率。
“科学要统筹考虑。”李强表示，不能因为某个SNP位点对性状表达影响较大，就忽略了其他影响力较小的SNP位点。
目前，“橘芯1号”4万个SNP位点关联80多个柑橘性状，包括果实大小、重量、颜色、叶片形态、花瓣形态等。其中每个性状被这4万个SNP位点赋予关联，只是“赋值”大小不同。“赋值”是项严谨的浩大工程，既需要采集足够多的品种样本，又需要精准的性状评价，以及与SNP位点的可靠关联。这也是为什么需要10余人历时7年才能完成“芯片”的研发。
▲ “橘芯1号”4万个SNP位点关联80多个柑橘性状，图为奉节脐橙
仅是数据采集、统计一项工作就曾让李强觉得“压力山大”。柑橘产业受天气、环境影响较大。为此，团队连续2-3年花费大量的时间采集花、果实、叶片等，做好数据的测量、统计。甚至，为了使数据更具“说服力”，团队选择采集数据时尽可能做到“面面俱到”。
举个简单的例子，针对果实大小这一性状，团队不仅要连续采集2-3年，甚至要尽可能将同一个品种的果实采集到，采集的方位要分东南西北、上中下层，最终将采集的果子测算出大小平均值，尽可能向误差降到最低。
全基因组芯片的未来在哪？
——搭建全基因组智慧育种平台
柑橘界有“桃三李四柑八年”的说法，意思是从播种到开花柑橘通常需要8年时间。传统育种中，只有等待柑橘开花结果，才能知道果子的性状，且大面积的种植、筛选也需要大量的人力管护、土地资源支撑。
“全基因组选择育种可以直接通过基因筛选出优秀的亲本。在它还是小苗的时候，就能根据目标性状判断是否需要选择它做亲本。”李强表示，全基因组芯片对于品种的早期筛选具有重要作用，既加快了育种的效率，同时节省了传统育种中的人力、土地资源。
▲ 全基因组芯片对于品种的早期筛选具有重要作用
当前，团队正在开展全基因组芯片的验证工作，包括性状表型数据的可靠性分析、预测的表型值计算、以及预测的表型值与实际表型值的相关分析等。
“如果预测效果不好，人家把树砍了，真正留下来的又长不好，那不是反倒给别人带来麻烦。”李强表示，团队将在2-3年时间内进行“芯片”的迭代升级，使得“芯片”预测准确性进一步提高。“尤其是针对300多个种质之外的品种验证。”李强补充，团队将进一步扩大品种范围，验证“芯片”对于预测表型的准确性。
同时，未来团队也将基于橘芯1号搭建柑橘界的全基因组智慧育种平台。这个平台将基于芯片的精准预测功能，加入大数据计算、人工智能模型、自动化处理模块，构建智能化、自动化育种平台，为育种人提供一站式、低门槛的科学支撑服务。
“别人拿个样品来，我们利用橘芯1号将样品进行基因分型，然后将基因型数据导入全基因组育种平台，通过大模型运算，很快就能出来关于样品的分析结果。”李强介绍。
试想一下，以前育种人要花多年时间进行亲本的选择、杂交、观察子代的表现，现在通过一个简单的APP或者网页输入相关数据，通过平台大模型预测，快速出示分析报告，就能知晓后代性状表型的概率，既快捷方便，又省心省力。
这就是中国柑桔研究所品种改良中心、西南大学西部（重庆）科学城种质创制大科学中心柑桔创制团队关于“橘芯1号”的下一步设想，也是未来柑橘育种的美好蓝图，更是科技进步、技术更新跑出的“加速度”。
