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【BioAr】Nature Genetics | 黄三文团队破译杂合二倍体马铃薯基因组,为培育优良自交系奠定基础

2020-09-29 11:09:00来源:

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      马铃薯是世界上最重要的块茎类作物。栽培马铃薯是同源四倍体,主要靠薯块进行无性繁殖。这些特点使得马铃薯的基因组高度杂合,有害等位基因隐藏在四套染色体中,而优良基因的聚合要依靠复杂的遗传重组,导致马铃薯品种改良周期漫长。目前世界上广泛种植的一些四倍体品种已经被使用了上百年,例如美国的Russet Burbank(1902年育成)和荷兰的 Bintje(1904年育成), 这表明在四倍体马铃薯中进行产量、品质、抗病性等性状的改良,困难极大。
 
      近年来,国内外相继开展二倍体马铃薯杂交育种,加速马铃薯的育种过程。在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下,中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员发起了“优薯计划”,即以基因组学和合成生物学为指导,用二倍体替代四倍体,并用杂交种子替代薯块,对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。实现“优薯计划”,可以将马铃薯的育种周期由原来的10~15年缩短至3~5年,繁殖系数提高1000倍,引领马铃薯产业的“绿色革命”。该项目被列为中国农业科学院科技创新工程“重大科研选题”之一。
 
二倍体马铃薯品系RH
 
      在打破马铃薯自交不亲和(点击查看:Nature Plants | 黄三文团队创制自交亲和的马铃薯新材料和阐明自交衰退遗传机理点击查看:Nature Genetics | 黄三文团队解析马铃薯自交衰退的遗传基础等前期工作基础上,2020年9月28日,黄三文团队在Nature Genetics 在线发表了“优薯计划”的最新研究成果Haplotype-resolved genome analyses of a heterozygous diploid potato。该研究首次完成了杂合二倍体马铃薯的单体型组装,获得了两套染色体的基因组序列,并在此基础上揭示了杂合基因组内丰富的序列变异、等位基因表达差异、甲基化修饰差异以及有害突变的分布模式,从而为培育优良自交系提供了新的知识基础。

 
      自然界中70%的马铃薯种质资源为二倍体,其丰富的遗传变异为“优薯计划”的实施提供了基础。该研究测序的二倍体马铃薯品系RH,基因组杂合度达到2%。高杂合基因组内存在大量相似的同源片段,导致在组装过程中无法构建连续的重叠群,影响了组装结果的连续性。在植物基因组中,由于受到大量重复序列的影响,区分相似的同源片段更加困难。 构建高质量的植物杂合基因组并分型,仍然是一个很大的挑战 。
 
      研究人员采用了二代测序和三代测序结合的方法进行了二倍体基因组草图的组装,尤其是利用了最新的HiFi read技术获得了高准确率、高连续性(contig N50 达到2Mb)的组装片段。为将组装片段区分成两套单体型,该研究测序了RH的自交分离群体,开发了利用测序read数量分布进行基因型鉴定和遗传连锁群构建的方法,成功将同源片段区分成两套单体型。最后在遗传图谱和Hi-C数据的辅助下,组装片段被锚定在染色体上,成功实现了染色体级别的单体型组装。
 

二倍体马铃薯基因组组装和分型技术路线
 
      对基因组的两套单体型序列进行比较分析发现,二倍体马铃薯内存在2万多个可能引起基因功能变化的有害突变,16.6%的等位基因存在表达差异,30.8%的等位基因存在甲基化差异,并且这些有害突变和优势表达基因在两套染色体上分布较均匀,呈现马赛克样交叉分布。这意味着通过传统杂交手段剔除有害突变、积累优良等位基因十分困难。
 
      研究人员重点分析了1号染色体上两个连锁的基因,幼苗白化基因(WS1/ws1和株型基因(PA1/pa1。这两个基因的有害基因型ws1pa1位于两个单体型上且与正常基因型WS1PA1紧密连锁,在2000个自交后代中仅观察到2株分离个体。通过对二倍体基因组序列进行分析,确定了两个基因的候选基因和关键变异位点,为快速打破有害等位基因连锁、构建优良自交系提供了基因组学支持。
 

两个连锁的有害基因(ws1,pa1)定位
 
      该研究提供了迄今最完整的杂合马铃薯基因组,最全面的单体型比较分析,为马铃薯自交衰退等生物学研究和自交系的设计育种奠定了基础。该研究提出的基因组组装和分型方案,也为复杂基因组解析提供了借鉴。
 
      深圳农业基因组所已毕业博士生、深圳鹏城实验室助理研究员周倩、基因组所博士生唐蝶为该文共同第一作者,黄三文研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金,中国农业科学院科技创新工程,深圳市孔雀计划等资助。
 
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x

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