實現從單標記到復合標記，點標記到區塊標記的技術升級
近日，北京市農林科學院玉米所在 Plant Communications 期刊發表了題為“HTPdb and HTPtools: Exploiting maize haplotype-tag polymorphisms for germplasm resource analyses and genomics-informed breeding”的文章。
該研究結合種質資源分析及輔助育種等不同類型的檢測需求與當前分子標記檢測的技術瓶頸，開發了新型單倍型標簽多態性標記 (HTP, haplotype-tag polymorphisms), 建立全基因組首尾無縫銜接區塊狀標記（單倍型標簽）系統，實現從單標記到復合標記，點標記到區塊標記的技術升級。
四十年來，分子檢測技術與相關檢測設備不停地更新換代，分析策略也隨著不同領域的應用需求不斷改進。傳統分子標記在成本及多態性等多方面綜合考慮下，一直沿用點標記的分析思路，例如少量 SSR，SNP 及 InDel 標記在品種鑒別及背景選擇的應用。北京市農林科學院玉米所分子檢測團隊長期致力于分子檢測技術的開發與應用研究，經過多年探索與實踐，研究人員開發了新型單倍型標簽多態性標記 HTP，其形態是一種區塊狀標記，每個區塊內部包含多種變異類型，所有位點均是來自高質量的 Maize6H-60K 芯片。作為高質量的核心位點集，單個區塊標記同時還具有超高多態性的特點，與點狀標記（SSR，SNP，InDel）相比，HTP 標記在品種鑒定應用中具有突出的應用優勢。
此外，研究人員開發了一個全基因組 HTP 分析工具包 HTPTools，同時建立了一個 HTP 數據庫(HTPdb，//htp.plantdna.site/database/nucleus-haplotype)。該數據庫覆蓋了育種中常用的 3,587 個重要玉米自交系，其中包括 172,921 個非冗余的 HTP 等位基因變異。為玉米研究人員及育種家提供了豐富的單倍型標簽資源。同時，基于 HTP 標記的特點，研究人員在 HTPTools 中集成了智能區塊數據填充算法，當僅需獲取少量 HTP 標記的基因型時，可以通過該功能快速地獲取對應區塊的完整數據。
圖1 HTP標記的詳細評估
HTP 標記是一種在基因組上首尾相接的區塊狀標記，具備全基因組覆蓋的獨特優勢，結合大數據可以實現復雜譜系重建和雜種優勢模式預測等復雜分析。研究人員以國內重要玉米自交系京 2416 為例，將其中一個親本作為未知親本，通過 HTPTools 中集成的全基因組單倍型比對算法及系譜預測模塊，可以快速準確地推測出未知親本為京 24。對于育種歷史中一些系譜不完整的重要自交系系譜重建，HTP 的分析策略是一種有效地技術手段。此外，研究人員還開發了適用于 HTP 標記的雜優模式預測算法并集成到 HTPTools 中。經過國內推廣面積較大的優異玉米雜交品種測試，HTPTools 可以實現推測每個品種的雜優模式并達到 98% 的正確率，這項功能在未來育種工作中具有重大的應用潛力。
圖2 利用HTP標記進行自交系系譜重建
圖3 利用HTP標記進行玉米育種過程中的雜優模式預測
最后，研究人員開發了一種新的繪圖引擎“BCplot”，可以實現大批量群體樣本的基因組背景快速繪制，為育種家在回交轉育等育種過程中提供所選群體的完整背景圖，實現群體背景信息快速可視化。研究人員以一個回交育種群體為例，展示了利用 HTP 分析策略如何實現高效精準地完成從 BC1 到 BC3 的快速選育。HTPTools 中集成了群體分析模塊，可以將輸入的群體 HTP 數據進行系統全面的背景評估，包括每個世代背景回復率的樣本比例，每條染色體上群體內樣本發生交換的分布以及全基因組 HTP 的交換頻率。通過區塊化的展示，可以幫助育種家更加直觀的了解群體中每一個材料的詳細背景回復情況，有助于對育種群體的詳細評估以及精準高效地完成背景選擇。繪圖引擎“BCplot”可以圖形化地呈現不同背景回復率區間內群體樣本的比例。該信息對于確定玉米回交群體規模至關重要，可幫助育種家有效地控制群體規模，減少不必要的投入。同時，HTPTools 中集成了群體背景評估分析及自動化選擇最優單株的功能，助力育種家高效精準地完成育種工作。
圖4 在回交育種過程中使用 HTP 標記進行背景選擇
我院玉米所助理研究員趙怡錕、玉米所田紅麗副研究員、中國農業科學院作物科學研究所李春輝副研究員和我院玉米所易紅梅副研究員為本文共同第一作者，我院趙久然研究員、中國農業科學院作物科學研究所王天宇研究員和我院王鳳格研究員為共同通訊作者，論文的第一通訊單位為北京市農林科學院。該研究得到科技部“十三五”國家重點研發計劃的支持（2017YFD0102001）。
