实现从单标记到复合标记，点标记到区块标记的技术升级
近日，北京市农林科学院玉米所在 Plant Communications 期刊发表了题为“HTPdb and HTPtools: Exploiting maize haplotype-tag polymorphisms for germplasm resource analyses and genomics-informed breeding”的文章。
该研究结合种质资源分析及辅助育种等不同类型的检测需求与当前分子标记检测的技术瓶颈，开发了新型单倍型标签多态性标记 (HTP, haplotype-tag polymorphisms), 建立全基因组首尾无缝衔接区块状标记（单倍型标签）系统，实现从单标记到复合标记，点标记到区块标记的技术升级。
四十年来，分子检测技术与相关检测设备不停地更新换代，分析策略也随着不同领域的应用需求不断改进。传统分子标记在成本及多态性等多方面综合考虑下，一直沿用点标记的分析思路，例如少量 SSR，SNP 及 InDel 标记在品种鉴别及背景选择的应用。北京市农林科学院玉米所分子检测团队长期致力于分子检测技术的开发与应用研究，经过多年探索与实践，研究人员开发了新型单倍型标签多态性标记 HTP，其形态是一种区块状标记，每个区块内部包含多种变异类型，所有位点均是来自高质量的 Maize6H-60K 芯片。作为高质量的核心位点集，单个区块标记同时还具有超高多态性的特点，与点状标记（SSR，SNP，InDel）相比，HTP 标记在品种鉴定应用中具有突出的应用优势。
此外，研究人员开发了一个全基因组 HTP 分析工具包 HTPTools，同时建立了一个 HTP 数据库(HTPdb，https://htp.plantdna.site/database/nucleus-haplotype)。该数据库覆盖了育种中常用的 3,587 个重要玉米自交系，其中包括 172,921 个非冗余的 HTP 等位基因变异。为玉米研究人员及育种家提供了丰富的单倍型标签资源。同时，基于 HTP 标记的特点，研究人员在 HTPTools 中集成了智能区块数据填充算法，当仅需获取少量 HTP 标记的基因型时，可以通过该功能快速地获取对应区块的完整数据。
图1 HTP标记的详细评估
HTP 标记是一种在基因组上首尾相接的区块状标记，具备全基因组覆盖的独特优势，结合大数据可以实现复杂谱系重建和杂种优势模式预测等复杂分析。研究人员以国内重要玉米自交系京 2416 为例，将其中一个亲本作为未知亲本，通过 HTPTools 中集成的全基因组单倍型比对算法及系谱预测模块，可以快速准确地推测出未知亲本为京 24。对于育种历史中一些系谱不完整的重要自交系系谱重建，HTP 的分析策略是一种有效地技术手段。此外，研究人员还开发了适用于 HTP 标记的杂优模式预测算法并集成到 HTPTools 中。经过国内推广面积较大的优异玉米杂交品种测试，HTPTools 可以实现推测每个品种的杂优模式并达到 98% 的正确率，这项功能在未来育种工作中具有重大的应用潜力。
图2 利用HTP标记进行自交系系谱重建
图3 利用HTP标记进行玉米育种过程中的杂优模式预测
最后，研究人员开发了一种新的绘图引擎“BCplot”，可以实现大批量群体样本的基因组背景快速绘制，为育种家在回交转育等育种过程中提供所选群体的完整背景图，实现群体背景信息快速可视化。研究人员以一个回交育种群体为例，展示了利用 HTP 分析策略如何实现高效精准地完成从 BC1 到 BC3 的快速选育。HTPTools 中集成了群体分析模块，可以将输入的群体 HTP 数据进行系统全面的背景评估，包括每个世代背景回复率的样本比例，每条染色体上群体内样本发生交换的分布以及全基因组 HTP 的交换频率。通过区块化的展示，可以帮助育种家更加直观的了解群体中每一个材料的详细背景回复情况，有助于对育种群体的详细评估以及精准高效地完成背景选择。绘图引擎“BCplot”可以图形化地呈现不同背景回复率区间内群体样本的比例。该信息对于确定玉米回交群体规模至关重要，可帮助育种家有效地控制群体规模，减少不必要的投入。同时，HTPTools 中集成了群体背景评估分析及自动化选择最优单株的功能，助力育种家高效精准地完成育种工作。
图4 在回交育种过程中使用 HTP 标记进行背景选择
我院玉米所助理研究员赵怡锟、玉米所田红丽副研究员、中国农业科学院作物科学研究所李春辉副研究员和我院玉米所易红梅副研究员为本文共同第一作者，我院赵久然研究员、中国农业科学院作物科学研究所王天宇研究员和我院王凤格研究员为共同通讯作者，论文的第一通讯单位为北京市农林科学院。该研究得到科技部“十三五”国家重点研发计划的支持（2017YFD0102001）。
