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Nature Genetics: “优薯计划”解析马铃薯自交衰退的遗传基础,取得重大理论突破

来源: 发布者: 时间:2019年01月14日

2019年1月14日,《Nature Genetics(自然▪遗传)》杂志在线发表了中国农业科学院(深圳)农业基因组研究所黄三文团队在马铃薯自交衰退遗传机制解析方面的研究成果,这是“优薯计划”实施以来取得的又一重大理论突破。

马铃薯主粮化主食化战略是推动我国农业供给侧改革、保障国家粮食安全的重要举措。然而,现有马铃薯普通栽培种是同源四倍体,新品种选育周期长(一般10-15年),并主要通过薯块繁殖,繁殖系数低、用种成本高、易携带病虫害。自交不亲和与自交衰退是培育二倍体马铃薯自交系的两大障碍,制约了马铃薯育种和产业的可持续性发展。为解决这两大障碍,黄三文团队发起了“优薯计划”,利用基因组学和合成生物学技术,对马铃薯育种和繁殖方式进行颠覆性创新,实现二倍体马铃薯育种,引领马铃薯产业绿色革命。之前的研究中,黄三文团队通过基因组编辑的方法攻克了自交不亲和的问题,扫清了第一道障碍。但是,马铃薯还存在严重的自交衰退问题,并且其遗传基础尚不清楚。

本研究重点解析了马铃薯自交衰退的遗传机制,通过对151份二倍体马铃薯进行重测序,鉴定了全基因组范围内共344,831个有害突变。这些有害突变在近着丝粒区域富集,很难通过遗传重组将它们全部清除。进一步分析表明,任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11%,说明马铃薯中的有害突变具有品系特异性,可以通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态,获得具有杂种优势的F1杂交种。

为了鉴定这些有害突变的遗传效应,团队构建了3个自交群体,并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法,在三个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域,结合表型分析,鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。团队继续对其中的一个致死突变ar1进行了图位克隆和功能验证,发现它具有控制胚发育的功能。同时,团队发现有害突变主要位于重组率比较高的区域,说明可以通过遗传重组将它们有效清除。

 ▲ 马铃薯全基因组范围内的偏分离及自交衰退相关表型

a-c:三个自交群体的偏分离情况。红色越高表示偏分离的情况越严重,箭头表示大效应有害突变所在的位置。d、f、h、j和l表示正常植株,e、g、i、k、m和n分别表示对应的突变性状,如根发育畸形、白化苗、叶缘黄化、叶片褪绿、多分枝和过度营养生长。

本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础,将有望破除马铃薯育种的结构性障碍,从根本上推进马铃薯主粮化进程,为保障我国粮食安全贡献力量。该研究得到了农业农村部、中国农科院科技创新工程、中国农科院“重大产出科研选题”、国家自然科学基金委、云南省高端人才项目以及深圳市配套经费的资助。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-018-0319-1

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