【BioAr】Nature Genetics | 黃三文團隊破譯雜合二倍體馬鈴薯基因組,，為培育優(yōu)良自交系奠定基礎(chǔ)

2020-09-29 11:09:00來源：

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馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類作物,。栽培馬鈴薯是同源四倍體,，主要靠薯塊進行無性繁殖,。這些特點使得馬鈴薯的基因組高度雜合,，有害等位基因隱藏在四套染色體中,，而優(yōu)良基因的聚合要依靠復(fù)雜的遺傳重組,，導(dǎo)致馬鈴薯品種改良周期漫長,。目前世界上廣泛種植的一些四倍體品種已經(jīng)被使用了上百年,，例如美國的Russet Burbank（1902年育成）和荷蘭的 Bintje（1904年育成），這表明在四倍體馬鈴薯中進行產(chǎn)量,、品質(zhì),、抗病性等性狀的改良，困難極大,。

近年來,，國內(nèi)外相繼開展二倍體馬鈴薯雜交育種，加速馬鈴薯的育種過程,。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部,、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,，即以基因組學(xué)和合成生物學(xué)為指導(dǎo),，用二倍體替代四倍體，并用雜交種子替代薯塊,，對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創(chuàng)新,。實現(xiàn)“優(yōu)薯計劃”，可以將馬鈴薯的育種周期由原來的10～15年縮短至3～5年,，繁殖系數(shù)提高1000倍,，引領(lǐng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”。該項目被列為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程“重大科研選題”之一,。

二倍體馬鈴薯品系RH

在打破馬鈴薯自交不親和（點擊查看：Nature Plants | 黃三文團隊創(chuàng)制自交親和的馬鈴薯新材料）和闡明自交衰退遺傳機理（點擊查看：Nature Genetics | 黃三文團隊解析馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎(chǔ)）等前期工作基礎(chǔ)上,，2020年9月28日，黃三文團隊在Nature Genetics 在線發(fā)表了“優(yōu)薯計劃”的最新研究成果Haplotype-resolved genome analyses of a heterozygous diploid potato,。該研究首次完成了雜合二倍體馬鈴薯的單體型組裝,，獲得了兩套染色體的基因組序列,，并在此基礎(chǔ)上揭示了雜合基因組內(nèi)豐富的序列變異、等位基因表達差異,、甲基化修飾差異以及有害突變的分布模式,，從而為培育優(yōu)良自交系提供了新的知識基礎(chǔ)。

自然界中70%的馬鈴薯種質(zhì)資源為二倍體,，其豐富的遺傳變異為“優(yōu)薯計劃”的實施提供了基礎(chǔ),。該研究測序的二倍體馬鈴薯品系RH，基因組雜合度達到2%,。高雜合基因組內(nèi)存在大量相似的同源片段,，導(dǎo)致在組裝過程中無法構(gòu)建連續(xù)的重疊群，影響了組裝結(jié)果的連續(xù)性,。在植物基因組中,，由于受到大量重復(fù)序列的影響，區(qū)分相似的同源片段更加困難,。構(gòu)建高質(zhì)量的植物雜合基因組并分型,，仍然是一個很大的挑戰(zhàn) 。

研究人員采用了二代測序和三代測序結(jié)合的方法進行了二倍體基因組草圖的組裝,，尤其是利用了最新的HiFi read技術(shù)獲得了高準確率,、高連續(xù)性（contig N50 達到2Mb）的組裝片段。為將組裝片段區(qū)分成兩套單體型,，該研究測序了RH的自交分離群體,，開發(fā)了利用測序read數(shù)量分布進行基因型鑒定和遺傳連鎖群構(gòu)建的方法，成功將同源片段區(qū)分成兩套單體型,。最后在遺傳圖譜和Hi-C數(shù)據(jù)的輔助下,，組裝片段被錨定在染色體上，成功實現(xiàn)了染色體級別的單體型組裝,。

二倍體馬鈴薯基因組組裝和分型技術(shù)路線

對基因組的兩套單體型序列進行比較分析發(fā)現(xiàn),，二倍體馬鈴薯內(nèi)存在2萬多個可能引起基因功能變化的有害突變，16.6%的等位基因存在表達差異,，30.8%的等位基因存在甲基化差異,，并且這些有害突變和優(yōu)勢表達基因在兩套染色體上分布較均勻，呈現(xiàn)馬賽克樣交叉分布,。這意味著通過傳統(tǒng)雜交手段剔除有害突變,、積累優(yōu)良等位基因十分困難。

研究人員重點分析了1號染色體上兩個連鎖的基因,，幼苗白化基因（WS1/ws1）和株型基因（PA1/pa1）,。這兩個基因的有害基因型（ws1和pa1）位于兩個單體型上且與正常基因型（WS1和PA1）緊密連鎖,，在2000個自交后代中僅觀察到2株分離個體,。通過對二倍體基因組序列進行分析,，確定了兩個基因的候選基因和關(guān)鍵變異位點，為快速打破有害等位基因連鎖,、構(gòu)建優(yōu)良自交系提供了基因組學(xué)支持,。

兩個連鎖的有害基因(ws1,pa1)定位

該研究提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組，最全面的單體型比較分析,，為馬鈴薯自交衰退等生物學(xué)研究和自交系的設(shè)計育種奠定了基礎(chǔ),。該研究提出的基因組組裝和分型方案，也為復(fù)雜基因組解析提供了借鑒,。

深圳農(nóng)業(yè)基因組所已畢業(yè)博士生,、深圳鵬城實驗室助理研究員周倩、基因組所博士生唐蝶為該文共同第一作者,，黃三文研究員為通訊作者,。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程,，深圳市孔雀計劃等資助,。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x