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基因组所“优薯计划”研究成果入选2021中国农业科学重大进展和2021中国农业农村重大新技术

2021-11-23 05:04:00来源:

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  11月19日,2021中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛在北京举行, 会议发布了《2021中国农业科学重大进展》《“十三五”农业农村科技发展报告》《2021中国农业农村重大新技术》等8个专题研究和智库报告。

  

  据中国工程院院士、中国农业科学院院长吴孔明介绍,《2021中国农业科学重大进展》以2020年我国各类科研机构正式发表的农业领域高水平科学研究论文为基础,根据“前沿引领、开创卓越、重大突破”的遴选原则,遴选出了10项能够充分代表2020年我国农业科技前沿研究水平、取得重大突破性进展的基础科学研究成果。10项中国农业科学重大进展主要涵盖了基因组学、重要功能基因解析、重大病虫害灾变机制、动物胚胎发育、动物新冠病毒感染和传播、作物栽培耕作等研究领域。

  

  其中,基因组所关于“构建杂合二倍体马铃薯基因组图谱”的研究成果入选2021中国农业科学重大进展。

  

  构建杂合二倍体马铃薯基因组图谱

 

  栽培马铃薯是同源四倍体,杂交后代性状分离严重,导致育种研究困难,品种改良周期漫长。千百年来,马铃薯一直通过块茎进行无性繁殖。近年来,基因组所黄三文研究团队联合多家单位发起了“优薯计划”,用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”,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。

 

  2011年,黄三文团队参与了由14个国家组成的国际马铃薯基因组测序联盟,主导完成了单倍体马铃薯DM的基因组。2017年,团队再次对二倍体马铃薯RH发起科研攻关,通过多种测序技术相结合的策略,克服了杂合基因组组装的障碍,成功组装了两套染色体级别的单体型,并进行了序列变异、基因表达、有害突变预测、重点基因挖掘等分析。研究发现二倍体马铃薯基因组内积累了2万余个有害突变,并且有些有害突变与优良基因紧密连锁,很难通过传统杂交的方法彻底淘汰。在二倍体育种中需要通过不同遗传背景自交系的杂交,使有害突变保持在杂合状态,屏蔽其不良效应。该工作首次解析了二倍体马铃薯基因组单体型,为马铃薯二倍体育种提供理论支持,有助于利用基因组学和合成生物学方法快速打构建优良的二倍体自交系,让优薯计划的实现又向前迈进了一步。

 

  该研究成果2020年10月在《Nature Genetics》在线发表。

 

  

  另外,“杂交马铃薯基因组设计育种技术”入选“2021 中国农业农村重大新技术”。

  

  杂交马铃薯基因组设计育种技术

 

  马铃薯是我国重要的粮菜兼用作物。长期以来马铃薯的研究和生产以同源四倍体为主,使得产业面临两个结构性障碍。一是四倍体遗传复杂,导致育种周期长、品种更新慢。二是马铃薯以薯块进行无性繁殖,存在繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等缺陷。为解决产业面临的问题,黄三文团队提出开展杂交马铃薯基因组设计育种,将马铃薯由四倍体无性繁殖作物改造成二倍体种子作物。自然界中70%的马铃薯种质资源都是二倍体,为二倍体育种提供了丰富的遗传多样性。但是,自交不亲和与自交衰退是限制二倍体育种的两大障碍。

  

  研究团队通过对控制自交不亲和的S-RNase基因进行定点突变和筛选天然S-RNase功能缺失型突变体两种方式,解决了自交不亲和的难题,无需引入野生种片段,避免了连锁累赘,提高了育种效率,开辟了二倍体育种的新路径(Nat Plants 2018;Nat Genet 2019)。研究团队对导致自交衰退的有害突变进行了系统分析,揭示了其在基因组上的分布规律,发现有害突变镶嵌分布于两个单倍型中,难以通过重组彻底淘汰(Nat Genet 2020)。进一步研究发现,有害突变具有品系特异性,不同材料间相同的有害突变仅有11%,可以通过选配亲本,使有害突变保持在杂合状态以掩盖其不良效应(Nat Genet 2019)。在此基础之上,研究团队构建了马铃薯基因组设计育种流程,培育了第一代高纯合度(大于99%)自交系和第一个概念性杂交种“优薯1号”,具有显著的杂种优势,证明了新技术的可行性,解决马铃薯遗传改良进程慢和种薯储繁成本高两大难题,为马铃薯种子商业化奠定了基础(Cell 2021)。

 

  

  

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