技 术 简 报
第 02 期
国家苹果产业技术体系 2022 年 3 月 12 日
AppleGAP v2.0 基因芯片：助力苹果分子设计育种
遗传改良研究室 张新忠 吴 贝 申 飞 吴 婷 张 希
标记辅助选择（marker assisted selection，MAS）和全基因组选择（genomic selection，GS）已在农作物和动物育种中广泛应用。发达国家的苹果育种实践中已有部分性状开始采用 MAS 进行辅助育种，如果面红色有/无、苹果黑星病抗病性和苹果绵蚜抗性等，而苹果 GS 尚处于研究阶段。原因有二，一是苹果的许多经济性状属于数量性状，MAS 效果不佳；GS 适用于多基因数量性状，但 GS 采用高密度芯片或全基因组重测序进行基因分型，成本仍然偏高。二是育种者对分子育种的认识有偏差，总是希望 MAS 或 GS 对性状表型的预测达到 100%准确，实际上多数分子工具均是用于压缩群体，提高入选率。
本团队利用 3 个亲缘关系相远的苹果品种和 1 个沙果品种配置了 3 套杂交群体，获得 9,654 株杂种后代连续 7 年的表型数据。用本团队开发的 BSATOS 软件包和上述表型数据定位了 14 个重要性状的 QTL 478 个，从 QTL 区间内设计了 SNP 标记 319 个，并开发出基于超多重 PCR 扩增和靶向测序技术的 GenoPlexs AppleGAP v2.0 液相芯片。利用该基因芯片，借鉴 GS 的原理，以 2,308 份材料（1,653份杂种后代和 655 份种质资源）作为训练群体，建立了 14 个性状的基因组辅助预测（genomics-assisted prediction，GAP）模型。带入 2021 年各个性状的表型数据后，预测准确性提高到 0.3241-0.98（表 1）。
本团队利用 3 个亲缘关系相远的苹果品种和 1 个沙果品种配置了 3 套杂交群体，获得 9,654 株杂种后代连续 7 年的表型数据。用本团队开发的 BSATOS 软件包和上述表型数据定位了 14 个重要性状的 QTL 478 个，从 QTL 区间内设计了 SNP 标记 319 个，并开发出基于超多重 PCR 扩增和靶向测序技术的 GenoPlexs AppleGAP v2.0 液相芯片。利用该基因芯片，借鉴 GS 的原理，以 2,308 份材料（1,653份杂种后代和 655 份种质资源）作为训练群体，建立了 14 个性状的基因组辅助预测（genomics-assisted prediction，GAP）模型。带入 2021 年各个性状的表型数据后，预测准确性提高到 0.3241-0.98（表 1）。
*准确性：预测表型值（genotype predicted value, GPV）与实测表型值（observed phenotypevalue, OPV）之间的线性相关系数。
**选择效率：按照 GAP 进行选择，入选个体中预测表型值与实测表型值相符的个体所占的百
分率。
***穷尽度：按照 GAP 进行选择，GAP 入选个体中预测表型值与实测表型值相符的个体数占待测群体中符合选择标准的个体总数的百分率。
AppleGAP v2.0 可以应用于以下方面：
1、苹果属种质资源基因型分析与育种价值评估。苹果属种质资源基因型分析可应用于品种鉴定或鉴别，谱系分析和亲缘关系追溯，分子 DUS 测试，以及苗木品种纯度鉴定。种质资源育种价值评估包括性状表型值预测，优良变异或不良变异的基因型分析，以及稀有变异（rare mutation）挖掘。
2、苹果分子设计育种方案。首先利用种质资源基因型数据库，选择携带育种目标性状主效标记优异基因型的种质作为杂交亲本。再根据孟德尔分离重组规律估算杂种后代中符合育种目标的个体出现的频率，选配实现育种目标频率最高的杂交组合。然后根据实现多个育种目标的频率测算群体规模。如果一次简单杂交未能实现育种目标，设计杂交世代数少的多代杂交方案，并规划每个世代杂种后代选择的策略。
3、杂种后代辅助选择。首先使用 AppleGAP v2.0 对杂种后代带有 3 片真叶的幼苗进行取样和标记分型，再用基因型数据预测各个性状的表型值（genotype predicted value，GPV），依据 GPV 选留优良单株或淘汰劣株，完成杂种初选。待优良单株度过童期即可高接至复选圃。
近 3 年已采用 AppleGAP v2.0 基因芯片设计苹果优质抗病杂交组合 10 余个，筛选杂种后代 2.8 万株，选出晚熟优质抗病耐贮藏优良单株 100 多个。按照 1 万株杂种苗测算，与常规育种相比，采用AppleGAP v2.0 可将育种周期由 18 年缩短到 10 年，使用土地面积由28.8 亩压缩到 4 亩，育种经费由 105.8 万元降低至 54.8 万元。目前AppleGAP v2.0 已申请国家发明专利（申请号 202110965711.2）和美国专利（Application number 17/579,041）。AppleGAP v2.0 基4
因芯片的研制和应用必将有力地促进我国苹果分子设计育种技术体系的建立，对我国现代果树产业发展有意义。
