近年來，伴隨著主要農(nóng)業(yè)物種全基因組測序的完成、功能基因組學(xué)以及生物信息學(xué)的發(fā)展，畜禽育種逐步從傳統(tǒng)育種向全基因組選擇轉(zhuǎn)變。據(jù)了解，全基因組選擇是利用與特定性狀高度相關(guān)的分子標(biāo)記，來輔助選擇最優(yōu)品系的育種方式，其育種效率和準(zhǔn)確性都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)育種。但是，受技術(shù)水平及成本因素限制，此前全基因組選擇多以科研院所的合作研究為主，市場化和產(chǎn)業(yè)化水平并不高。
攻克多個(gè)難題完成從科研到應(yīng)用轉(zhuǎn)化
近期，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)胡曉湘教授團(tuán)隊(duì)與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)吳珍芳教授團(tuán)隊(duì)合作，基于華大智造MGISEQ-2000測序平臺(tái)，開發(fā)了畜禽全套低深度測序分析流程，并進(jìn)行豬重要經(jīng)濟(jì)性狀遺傳結(jié)構(gòu)的解析，研究成果發(fā)表在國際期刊Gigascience(5-Year IF：7.715)。該研究論證了低深度測序技術(shù)在沒有優(yōu)質(zhì)參考單倍型數(shù)據(jù)庫的畜禽物種中的高效高質(zhì)填充方法，解決了育種中重要的“卡脖子”問題，展示了在功能基因定位和重要經(jīng)濟(jì)性狀遺傳結(jié)構(gòu)解析中的巨大優(yōu)勢，為我國十四五規(guī)劃種業(yè)振興行動(dòng)方案提供了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型遺傳分析方法和育種理論依據(jù)。
實(shí)際上，早在2011至2012年，基因測序價(jià)格開始松動(dòng)的時(shí)候，胡曉湘教授就開始考慮通過基因測序做Genotyping（基因分型）進(jìn)行全基因組選擇。但是，全基因組選擇從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是一個(gè)非常漫長的過程，需要科學(xué)家與企業(yè)的共同努力。
胡曉湘教授認(rèn)為，全基因組選擇從科研到應(yīng)用要解決幾個(gè)問題，“首先是成本問題，只有降低技術(shù)成本，為企業(yè)盈利，才有可能真正完成轉(zhuǎn)化。其次，是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性，最開始是在農(nóng)業(yè)部‘948項(xiàng)目’的支持下，先測了2000多頭豬，測完以后，企業(yè)看到了這種可能性，就自己投入研發(fā)。另外是時(shí)間成本，育種對時(shí)效性要求非常高。比如，小豬出生以后有21天左右的哺乳期，35天左右的保育期，從保育期進(jìn)入仔培階段前，就要上測定站。所謂時(shí)效性，就是要在56天之內(nèi)，決定選哪頭豬。所以，在時(shí)間成本上要滿足企業(yè)需求，企業(yè)才有可能在其生產(chǎn)環(huán)節(jié)中加上基因組選擇這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?！?
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)胡曉湘教授（中）
據(jù)胡教授介紹，“2012年左右，一張豬的50k芯片的成本需要1000-1500塊錢，用這個(gè)成本來做基因組選擇企業(yè)是無法接受的。剛開始研發(fā)的時(shí)候，溫氏的目標(biāo)是把基因型分析的成本降到600塊錢。但是研發(fā)完以后，成本降到350元，做完第一批以后，成本再次降到200元。在這個(gè)過程中，華大智造MGISEQ-2000發(fā)揮了重要的作用，一是在價(jià)格方面，MGISEQ-2000極大地降低了測序成本；二是得益于華大智造的DNBSEQ非線性擴(kuò)增技術(shù)，MGISEQ-2000保持著一如既往的低冗余度，大約2%-3%，遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備?！笨梢姡?strong style="font-family:"font-size:20px;">MGISEQ-2000是基于測序做基因分型，并且能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用的一個(gè)非常重要的技術(shù)保障。
華大智造MGISEQ-2000高通量基因測序儀在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行
技術(shù)的突破，不僅打通了從科研成果向企業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的最后一公里，還降低了成本，讓企業(yè)不再“望而卻步”，剩下就是時(shí)間問題了。此次，胡曉湘教授團(tuán)隊(duì)花了兩到三年的時(shí)間，與企業(yè)一起磨合并進(jìn)行各種流程配合，最終成功實(shí)現(xiàn)了從科研到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。
低深度重測序技術(shù)應(yīng)用前景廣闊
據(jù)了解，此次研究采集了同一育種場的2869頭杜洛克公豬，使用自主優(yōu)化的Tn5轉(zhuǎn)座酶方法進(jìn)行基因組文庫構(gòu)建，于MGISEQ-2000平臺(tái)進(jìn)行平均0.73×低深度全基因組測序，優(yōu)選BaseVar-Stitch流程進(jìn)行Reference Panel構(gòu)建和基因型填充。同時(shí)利用3種不同分型方法（SNP芯片、高深度測序、Fluidigm基因分型）對低深度數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)估，且采用不同參數(shù)評(píng)價(jià)了樣本量和測序深度對準(zhǔn)確性的影響。
低深度全基因組測序方案設(shè)計(jì)
本次研究首次建立了適用于低深度測序的BaseVar-Stitch基因分型流程，以極低成本獲得了目前杜洛克豬最大群體 （2869頭）的高密度SNP標(biāo)記集（11.7M），用三種不同方法評(píng)估的分型準(zhǔn)確性均超過99%，證明了本研究創(chuàng)制的大樣本無參自我填充策略相較于傳統(tǒng)基于小樣本高深度數(shù)據(jù)填充，具有顯著先進(jìn)性。
對于該技術(shù)的應(yīng)用前景，胡曉湘教授指出，“低深度重測序是一個(gè)普適性非常好的技術(shù)，適用于多個(gè)物種和品種，不僅僅適用于動(dòng)物，也適用于作物，甚至適用于水產(chǎn)動(dòng)物。我們現(xiàn)在也在做其他研究，嘗試把這個(gè)技術(shù)在其他動(dòng)植物品種培育中使用?！?
十四五規(guī)劃提出，到2025年打造一批育種創(chuàng)新平臺(tái)，建成一批現(xiàn)代化種養(yǎng)業(yè)良種生產(chǎn)基地，選育推廣一批種養(yǎng)業(yè)新品種，形成保、育、測、繁分工合作、緊密銜接的現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展格局。在這個(gè)過程中，高通量基因測序技術(shù)和全基因組選擇技術(shù)平臺(tái)，在加強(qiáng)育種基礎(chǔ)研究，培育具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種，有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵力量。
參考資料：
[1]Yang R, Guo X, Zhu D, et al. Accelerated deciphering of the genetic architecture of agricultural economic traits in pigs using a low-coverage whole-genome sequencing strategy[J]. GigaScience, 2021, 10(7): giab048.
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