【中国科学报】《细胞》：黄三文团队绘制首个马铃薯有害突变二维图谱

2023-05-06 05:30:13来源：

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北京时间2023年5月4日晚，《细胞》（Cell ）在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文团队的最新研究成果，他们利用进化基因组学鉴定了马铃薯基因组的有害突变，进而指导杂交马铃薯育种。

黄三文团队联合国内外研究团队，收集大量茄科物种资源，通过对100个茄科基因组的比较分析来追踪最长8千万年、累计12亿年的进化痕迹，在此基础上开发出“进化透镜”来发现马铃薯进化约束及有害突变，绘制了首个马铃薯有害突变二维图谱，开发全基因组预测新模型，加速了杂交马铃薯育种进程。

该研究使得我国在马铃薯育种基础理论和技术上站在了世界领先地位。

“优薯计划”：马铃薯产业的绿色革命

马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，是13亿人口的主要粮食来源。马铃薯具有产量高、用水少、可种植地域广等优点。

论文通讯作者黄三文告诉《中国科学报》，由于传统栽培马铃薯是同源四倍体，基因组复杂，导致育种进程十分缓慢。此外，薯块无性繁殖还面临着繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。

为解决上述难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，旨在用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。将马铃薯的育种周期由原来的10～12年缩短至3～5年，繁殖系数提高1000倍，有望引领马铃薯产业的“绿色革命”。

然而，要实现马铃薯杂交育种，必须绕过两个难以避免的“暗礁”。黄三文介绍，自交不亲和（植物自花授粉后不能产生成熟种子）及自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降）是妨碍马铃薯育种进程的两大障碍。

为解决这两个问题，黄三文团队解析了单倍体、二倍体及四倍体马铃薯基因组（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了马铃薯自交不亲和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了马铃薯演化及薯块演化的规律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遗传基础（Nature Genetics, 2019），通过剔除极大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种（Cell，2021; JIPB，2022）。

黄三文强调，尽管如此，马铃薯基因组中大量杂合有害突变、排斥相连锁产生的希尔—罗伯森（Hill-Robertsen）干涉，会导致有害突变难以通过表型来发现，难以通过自交来淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突变，需要进一步剔除。

“为实现品种快速改良必须高效剔除有害突变，亟需一种准确鉴定并定量全基因组的有害突变的新技术。”黄三文说。

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以史为“镜”：鉴定有害突变

如何界定有害突变呢？黄三文认为，只通过马铃薯基因组信息是难以确定的。于是他们从进化的角度把眼光放到了茄科植物等近缘植物上。

研究人员收集了大量茄科物种资源，新完成了38份茄科基因组组装，结合57个已发表茄科作物、5份旋花科材料基因组数据，获得100份材料的基因组信息，完成了茄科基因组组装和组学进化分析。

“这些材料最长进化时间为8千万年，累计十二亿年的进化时间。”论文第一作者、基因组所博士后吴瑶瑶告诉《中国科学报》，通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果，开发进化透镜，从全基因组层面鉴定进化约束位点及其进化保守值。

吴瑶瑶介绍，他们对这些位点的进化保守程度进行了评估，进化保守值越高的位点更可能具有重要功能，突变后更可能降低马铃薯繁殖力、生活力及产量，即形成有害突变。随后他们将突变位点的进化保守值作为有害程度值，绘制了首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱，为鉴定马铃薯功能位点及剔除有害突变提供了新依据。

“这就像一个进化透镜。”吴瑶瑶解释说，100份材料基因组序列透过最长8000万年的进化、突变及选择，受到了进化约束，利用这个系统可以区分出对繁殖力、生活力不同重要性序列，就如同白光透过三棱镜会根据波长分散为7种单色光一样。

黄三文说，优薯计划最关键的步骤是构建马铃薯高度纯合的自交系。在高度纯合的自交系构建过程中，这些原本隐藏在杂合位点的有害突变成为纯合而暴露其有害功能，从而产生自交衰退，成为杂交马铃薯育种的卡脖子问题。

例如，国际上经过9代自交获得的马铃薯株系Solyntus，其全基因组仍有20%的区域杂合，无法成功构建高度纯合自交系。由于希尔—罗伯森干涉作用，有害突变难以通过自交来完全淘汰。

黄三文强调，该项研究绘制的高质量有害突变二维图谱是指导选择起始材料、减少有害突变遗传给后代、解决构建自交系难题的主要途径。

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反直觉选择：所见未必即所得

基于该图谱，研究人员统计了起始材料传给后代的有害突变总值（即有害突变遗传总值），并选择有害突变总值低的材料来作为构建自交系的起始材料。

他们在育种实践中验证了该选择模型的可靠性。吴瑶瑶介绍，传统育种通常依据表型，选择长势好的材料作为起始材料，然而这些材料往往具有更高有害突变遗传总值，选择这些材料反而会增加高度纯合自交系构建难度；说明基因组指导选择与基于表型选择的结果相反，是一种反直觉选择。

“该反直觉选择可以有效选取自交系的起始材料，在当代就可以预测2-3年后自交系构建结果，大幅提高自交系构建成功率，在更短时间内培育更多自交系及杂交品种。”吴瑶瑶说。

“有害突变预测，相当于在马铃薯的全基因组选择育种技术加上了一个新的维度。”黄三文强调，马铃薯育种可以借此驶入快车道。

该团队发现，有害突变总值与产量、株高、薯块等性状显著相关。吴瑶瑶介绍，他们首次将有害突变信息整合到全基因组预测新模型来预测马铃薯产量等农艺性状。相比缺少有害突变信息模型，预测准确度提高了45%；相比随机有害突变信息模型，预测准确度提高了25%；在马铃薯中达到了前所未有的准确度。

黄三文说，该模型能够根据基因型及有害突变信息准确估计育种值，更好地帮助育种家制定早期育种决策，进一步降低育种成本、缩短马铃薯育种周期、快速培育高产优质马铃薯品种。

该研究开创了进化透镜鉴定有害突变的新技术，提出了高度纯合自交系起始材料反直觉选择的新依据，开发了全基因组预测农艺性状的新策略，标志着我国在马铃薯育种理论和技术上站在了世界领先地位。

黄三文为通讯作者，吴瑶瑶、基因组所博士后李大伟、硕士生胡勇为共同第一作者。基因组所博士生李宏博、奥胡斯大学教授Guillaume P. Ramstein，康奈尔大学教授Edward S. Buckler、苏黎世大学教授Thomas Städler、英国自然博物馆研究员Sandra Knapp等人为该研究提出了重要指导。

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国农业科学院、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。