近日，中国海洋大学水产学院高勤峰教授团队，联合山东海洋集团有限公司和华智生物技术有限公司，利用cGPS靶向测序分型技术研发了我国首款虹鳟SNP育种芯片——“虹芯1号”（图1）。这是我国目前虹鳟育种领域唯一拥有自主知识产权的行业专用芯片，意味着国产虹鳟育种芯片自主攻关实现重要突破，为虹鳟精准育种与产业高质量发展注入“芯”动力。
图1 虹鳟50K cGPS液相育种芯片“虹芯1号”
虹鳟（Oncorhynchus mykiss）隶属于鲑科，太平洋鲑属，是全球重要的养殖经济鱼类（图2）。我国自1959年从朝鲜引入虹鳟以来，其养殖产业逐步兴起，并在60余年间迅速发展，目前养殖地区遍布12个省份，年产量约为4万吨。近年来，我国工厂化循环水养殖设施和大型钢结构深远海养殖网箱的设计与建造取得关键技术突破，为海水养殖虹鳟产业规模化发展提供了装备基础。然而，目前我国虹鳟养殖产业的优良种质资源严重依赖美国、加拿大、丹麦和挪威等西方国家，其苗种均以“全雌三倍体”的形式出售，种源被严格控制，制约着我国鲑鳟鱼类海水养殖产业的规模化发展。
图2 虹鳟（Oncorhynchus mykiss）
利用高效的现代分子育种技术和工具，快速培育优质的虹鳟苗种成为突破我国鲑鳟鱼类良种匮乏“卡脖子”难题的关键。基因组选择育种是一种利用覆盖全基因组的高密度标记进行遗传选育的新方法，具有周期短、准确性高等优势，目前已被应用至许多重要水产经济物种的良种选育研究工作，其选育效果显著优于传统的群体选育和家系选育技术。鲑鳟鱼类由于经历了特异性的第四次全基因组复制事件，导致其基因组大小约为普通硬骨鱼类的2倍至4倍，由此产生的高昂测序费用和巨大计算资源消耗，成为鲑鳟鱼类基因组选择育种工作广泛开展的重要限制因素。
育种芯片是重要的现代分子育种工具，可对种质资源海量SNP位点进行快速、准确的分型检测，并且具有较低的单位检测成本。世界第一款虹鳟育种芯片由USDA美国农业部于2014年开发，共包含57,501个SNP位点，然而由于当时的技术限制，导致芯片中含有约20,000个SNP位点冗余，影响了其分型效率。2021年，法国国家农业研究院发布了世界第二款虹鳟SNP育种芯片（667K），其位点的遗传信息来自于美国农业部和法国国家农业研究院的公共数据库以及俄罗斯和加拿大的虹鳟繁育和野生群体。由于芯片位点密度过高且针对于欧美的虹鳟野生和繁育群体研发，对亚洲虹鳟繁育群体的适用性较差，限制了其在我国虹鳟科学研究的应用。
“虹芯1号”液相育种芯片同时兼顾了国内外虹鳟繁育和野生群体的遗传信息，共有51,508个高质量SNP位点，其中超过67%的位点来源于国内虹鳟群体。其中，国内虹鳟繁育群体来自山东潍坊、辽宁本溪、甘肃临夏、四川攀枝花和新疆博乐等地区，国外虹鳟的遗传信息则由美国、加拿大、挪威、丹麦、波兰和西班牙等国家主流繁育和野生群体组成。“虹芯1号”液相芯片应用场景丰富，可同时满足国内外虹鳟野生和繁育群体的种质资源鉴定、遗传多样性评估、全基因组选择育种、全基因组关联分析和遗传图谱构建等多方面研究工作的需求，有助于其重要经济性状遗传基础的解析与优异基因资源的挖掘。
优势一：性状关联位点丰富
“虹芯1号”SNP背景位点基于国内5个地区的虹鳟繁育群体以及美国、加拿大、挪威、丹麦、波兰和西班牙等国家的虹鳟野生与繁育群体的495份高深度全基因组重测序数据构建完成。此外，“虹芯1号”还涵盖了国内外科研院所筛选获得的虹鳟重要经济性状相关的SNP位点，主要包括：本研发团队基于基因组选择育种、群体遗传分化研究和全基因组关联分析筛选的虹鳟海水生长速度、肌肉品质和高盐耐受性等关键经济性状相关的1153个SNP位点；国外研究机构鉴定得到的虹鳟低氧耐受，高温耐受、抗柱状黄杆菌等性状相关的593个高质量SNP位点。同美国农业部以及法国国家农业研究院开发的虹鳟育种芯片相比，“虹芯1号”在国内虹鳟繁育群体研究的适用性更强，尤其针对海水环境下虹鳟的生长速度和肌肉品质，可推动我国海水养殖虹鳟良种的遗传选育工作进程。
优势二：通用性强、成本低、效率高
研究团队前期基于“虹芯1号”完成了18个虹鳟群体的遗传结构分析，其与全基因组重测序数据分析结果高度一致（图3-图5）。此外，同传统重测序方法相比，“虹芯1号”操作便捷，无需经过复杂的数据分析流程，可在一周之内快速完成SNP分型，且价格仅为重测序的四分之一左右，大幅提高了检测效率，降低了成本。“虹芯1号”液相芯片灵活性高，可塑性强，根据研究需要，即可在原有芯片基础上随时添加SNP新位点，无需重新定制。
图3 “虹芯1号”与重测序数据的PCA主成分分群效果对比
图4 “虹芯1号”与重测序数据的系统发生树对比
图5 “虹芯1号”与重测序数据的STRUCTURE结果对比
优势三：位点多态性高、基因组分布均匀
“虹芯1号”的51,508个SNP位点经过严格的杂合率、最小等位基因频率和位点缺失率等参数筛选，虹鳟基因组的平均覆盖率为99.73%，平均间距为43Kb （图6）。相比传统固相芯片，液相芯片可以捕获更多mSNP（多核苷酸多态）标记，具有填充位点分布均匀、多样性信息丰富、分型准确的突出优势。
图6 “虹芯1号”SNP位点的染色体分布以及注释信息统计
通讯员：田源
附：研发团队简介
研发团队为深远海养殖鲑鳟鱼类遗传和种质研发及产业化团队，团队首席为中国海洋大学水产学院高勤峰教授，核心技术成员包括中国海洋大学水产学院田源副教授，山东海洋集团有限公司孟祥科高级工程师等，以及水产学院研究生何景鸿、黄铭、曾祥兵等。该团队主要从事虹鳟种质资源收集与保存、基因组图谱的构建与关键经济性状遗传学基础和分子机制解析等方面研究工作。
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