泛基因组与植物育种—黄三文团队同期发表2篇Nature论文

　　

6月8日，《自然（Nature）》杂志在线发表了基因组所黄三文团队在植物基因组学领域的两项重要研究成果，为实现泛基因组在作物育种的应用提供了新的解决方案。

野生与栽培马铃薯的基因组进化与多样性

马铃薯种质资源丰富，自然界中70%的马铃薯是二倍体，其中大部分是野生材料，充分利用这些资源中的优异性状，有利于加快马铃薯的遗传改良。2017年，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，旨在用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的绿色革命，即用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，变革马铃薯的育种和繁殖方式。然而，目前已有马铃薯的基因组序列不足以全面了解马铃薯的多样性，并依此指导育种。

6月8日，《自然（Nature）》杂志在线发表了“优薯计划”的最新研究成果，题为“Genome evolution and diversity of wild and cultivated potatoes”。该研究组装了多个高质量马铃薯参考基因组，鉴定得到多个高质量的结构变异，并且首次构建了栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱，为马铃薯杂交改良提供了重要指导。

研究人员挑选了有代表性的44份二倍体马铃薯种质进行基因组组装，用以探究马铃薯和近缘姊妹类群系统发生关系以及薯块的演化机制。分析发现马铃薯与近源物种番茄、Etuberosum之间以及马铃薯类群内部都存在广泛的不完全谱系分选和物种间杂交。研究人员进一步对马铃薯基因组的抗病基因（R gene）进行了系统的注释，发现马铃薯中R基因拷贝数相比于番茄和Etuberosum存在明显扩张。与种子繁殖植物相比，无性繁殖的马铃薯更容易受到病原菌的侵染，推测这可能促使了R基因数量的扩张以应对病原菌对薯块的侵染。

通过马铃薯、番茄和Etuberosum的多组学比较分析，研究人员鉴定到一个可能在薯块发育过程中发挥关键作用的TCP转录因子。后续Knockout实验证明，该基因在薯块发育的起始时期发挥关键作用，命名为薯块身份基因Identity of Tuber(IT1)。其突变体匍匐茎顶端无法正常膨大形成薯块，转而发育成了侧枝；IT1与结薯移动信号因子SP6A存在蛋白直接互作，不结薯种Etuberosum虽然有IT1却在SP6A上有突变。

图1-1. 通过多组学比较分析鉴定马铃薯薯块身份基因IT1

此外，研究人员鉴定出了561,433个高质量的结构变异，并且首次构建了栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱。其中，马铃薯3号染色体5.8 Mb倒位事件与控制块茎中类胡萝卜素积累基因紧密连锁，并且在自交后代中该区域重组率显著降低，该现象为自交系的改良和去除潜在的连锁累赘提供了重要思路（图1-2）。

图1-2. 马铃薯倒位图谱

审稿人评价，该研究解析了马铃薯和姊妹类群之间的进化关系，并且对块茎进化提出见解，更重要的是，发现了与农艺性状紧密关联的结构变异。这项研究将为其他作物泛基因组研究提供参考方法。

利用图泛基因组找回丢失的遗传力和促进番茄育种

番茄的性状，如风味，是由遗传因素和环境因素共同决定的。育种前，需要全面评估遗传变异对遗传力的具体影响。然而，数量遗传学领域有一个重要的问题，被称为“遗传力丢失”（Missing heritability），即通过遗传标记估计的遗传力，以及通过全基因组关联分析（GWAS）发现的所有相关基因所贡献的遗传力总和，均低于实际的遗传力。找回这些“丢失的遗传力”，将有助于理解复杂性状的遗传机制，为相关的育种工作提供理论支持。

该研究利用图泛基因组解决了遗传变异检测难题，并从遗传标记的不完全连锁，等位基因异质性和位点异质性三个方面找回“丢失的遗传力”，为解析生物复杂性状的遗传机制和番茄育种提供了新思路。

图2-1. 番茄图泛基因组研究流程

为了展示找回的遗传力在育种中的实际作用，研究人员首先对可溶性固形物含量（SSC）进行了分析，共鉴定出了2个潜在的与SSC含量高度相关的SVs，可以用于未来的分子标记辅助选择。而对影响番茄风味的33种代谢物进行分析发现，利用全部的SVs作为分子标记进行基因组选择的效果最佳。研究人员进一步精心选择出一个不超过2.1万SVs的数据集，发现如果利用该数据集设计育种芯片，GS的准确率可能超过利用全部的SNPs该研究为基于SVs设计分子标记提供了理论支撑。

图2-2. 图泛基因组对育种的贡献

审稿人评价说，“这项工作是对图泛基因组概念最全面的分析。图泛基因组将可能成为基因组分析和作物基因组育种的标准，在这个意义上，这篇论文是奠基性的（foundational）”。

黄三文研究员为两篇论文的通讯作者，基因组所博士生唐蝶、博士后贾玉鑫、中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员张金喆和基因组所与荷兰瓦赫宁根大学联合培养博士生李宏博为马铃薯文章的共同第一作者。基因组所副研究员周姚，博士生张智洋和科研助理鲍志贵为番茄文章的共同第一作者。基因组所和国内外多家单位科研人员也为该研究做出了重要贡献。国家基金委、科技部、广东省、深圳市和中国农科院科技创新工程资助了这两项研究。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04822-x

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04808-9