突破瓶颈——我科学家开发高密度液相生物芯片

中国农业科学院作物科学研究所作物分子育种技术和应用创新团队与石家庄博瑞迪生物技术有限公司领衔的联合研究小组，致力于液相生物芯片的研发。经过几年的努力，开发出高密度靶向测序-液相芯片技术体系，在通量、成本和效益上可以完全取代固相芯片，研究成果先后在《中国农业科学》、《分子育种（MolecularBreeding）》和《植物通讯（PlantCommunications）》杂志发表。据介绍，与工业上的集成电路（芯片）相类似，生物芯片就是通过缩微技术，根据分子间的特异性相互作用的原理，将不连续的分析过程集成于硅或玻璃等固相芯片表面，以实现对细胞、蛋白质、基因及其他生物成分的准确、快速、大信息量的检测。在生物分子检测和基因型鉴定领域，包含高密度分子标记或探针的生物芯片发挥着巨大作用，已广泛应用于医学、基因组学、遗传学和育种。过去20年来，高密度生物芯片主要由两家跨国公司主导，中国市场的生物芯片均依赖这两家公司进行设计、制作和检测，一方面导致中国动植物育种所需芯片的定制需求响应周期慢、发货时间长、持续的技术支持和服务缺乏、成本高昂；另一方面，生物芯片作为生物育种关键性的分子检测技术，从源头上决定了种业的科技水平和国家的粮食安全。因此亟待发展能够替代固相芯片、更加简单高效的高密度分子检测方法和技术。联合研究小组首先从前期研发的玉米55KSNP芯片挑选多态性高、缺失率低、染色体上分布均匀的20KSNP标记，结合靶向测序基因型检测（GenotypingbyTargetedSequencing,GBTS）技术，对标记探针进行液相捕获，完成了1K、5K、10K、20K等一系列液相芯片标记的开发。利用96份来自世界各地的玉米自交系和387份育种项目产生的中间材料对液相芯片进行测试，证实了芯片检测的高度重复性和可靠性（MolecularBreeding39:37,2019）。随后，经过技术优化和改进，使单个液相芯片的检测效率在玉米中增加到40KmSNP、260KSNP、912K单倍型。根据应用场景对标记密度的需求，通过控制测序深度就可以从同一标记集获得从1K到40KmSNP任意位点（扩增子）以及由此衍生的不同数量的SNP标记和单倍型（PlantCommunications2:100230,2021）。图1靶向测序-液相芯片技术流程及其改进和优化靶向测序-液相芯片技术由两个独特但又相互交叉的技术体系组成GenoPlexs和GenoBaits，都是在液相条件下对靶向片段进行扩增、捕获和检测。GenoPlexs涉及两轮靶向位点的定点扩增，目前，该技术已可以实现单管高达2000对以上特定引物的混合扩增。GenoBaits的工作原理是基于目标探针与靶向序列互补结合进行定点捕获，对捕获的靶点序列进行洗脱、靶点扩增、建库和测序，最终获得目标SNP的基因型，在经济有效的条件下，所能检测的靶向位点及其标记数目在玉米中可以达到40KmSNP、260KSNP和912K单倍型的水平，在检测密度和通量上等同于高密度固相芯片。与常规测序检测和固相芯片分析相比，靶向测序-液相芯片技术具有平台广适性，不需要借助于特定的昂贵设备，可以采用各种可供利用的测序平台。标记定制时没有起始样本量和标记数量的限制，测序与标记基因型检测可在同一管内完成；使用时没有单次检测样本量限制；可随时向体系中加入新的引物或对已有引物进行调整；根据同一套高密度标记，可以通过调整测序深度来获得不同数量的标记。所有检测试剂均实现了本地化，从而大大降低了试剂成本，同时利用现有的测序设备降低了检测设备的维护、管理和运营有关的成本。液相芯片技术具有高度重复性和可靠性，便于将不同时间、地点和实验所获得的信息进行累加、比较和综合。与固相芯片、全基因组重测序和随机的简化基因组测序等技术相比，对于平台和支撑系统的要求很低，不需要借助于额外的检测技术或高度专业化的生物信息团队（中国农业科学53:2983-3004,2020）。联合研究小组还探讨了如何在液相芯片技术的支撑下，通过分子植物育种，助推作为国家种业战略的海南省南繁种业的转型升级（中国农业科学54,2021）。液相芯片技术与现代育种技术相融合，将助推南繁种业从单一的繁殖加代向资源引进和评价、育种选择、纯度检测、种质交流和产权保护等在内的全产业链模式转变，实现从海南冬繁到周年育种的转变，将海南的南繁地理和生态优势转化为南繁与育种相整合的全产业链优势，加快育种进展、提高育种效率，促进种业发展。要实现海南育种，全国测试，需要构建包括液相芯片技术支撑下的高效育种设施、快速育种、转基因和基因编辑技术、双单倍体育种技术、全基因组选择等在内的综合育种体系。靶向测序-液相芯片技术可取代现有的固相芯片技术和其他中高密度的分子检测系统，广泛应用于生物进化、遗传图谱构建、基因定位克隆、标记性状关联分析、后裔鉴定、基因渐渗、基因累加、品种权保护、产品质量监测、转基因成分/基因编辑/伴生生物检测等领域。联合研究小组以玉米为例，采用867份来自世界各地不同类型的玉米自交系，分别利用不同标记类型进行多样性、群体结构、连锁非平衡衰减和全基因组关联分析。研究证实，利用mSNP及其单倍型替代固相芯片中的单一SNP标记能够获得额外的检测效率（PlantCommunications2:100230,2021）。基于靶向测序和mSNP的液相芯片技术具有广泛的物种适应性，可以用于所有动植物和微生物的分子检测。目前已经在13种主要农作物、蔬菜以及部分动物和微生物中开发了基于GBTS的液相芯片50余套，并已在上述领域得到广泛应用。图2高分辨率多聚SNP（mSNP）液相芯片检测技术体系及其应用参与该联合研究的团队还包括佛山科学技术学院、上海市农业科学院、新疆农垦科学院、河北省农林科学院、江汉大学和国际玉米小麦改良中心。