和水稻,、小麥,、玉米不同，作為營養(yǎng)全面的世界第三大主糧作物,，馬鈴薯并不是靠種子種植的,。百余年來,，馬鈴薯依靠地下的塊莖,，也就是種薯進行無性繁殖,。

 

      “栽培馬鈴薯是同源四倍體，這使得馬鈴薯的遺傳育種十分困難,，品種改良周期漫長,。”中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡稱基因組所）所長黃三文告訴《中國科學報》,。

 

      北京時間9月28日晚23時,，《自然—遺傳》在線發(fā)表了黃三文團隊首次測序完成的雜合二倍體馬鈴薯基因組,。該研究成果不僅提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組,、最全面的馬鈴薯單體型比較分析，而且為解決馬鈴薯自交衰退問題,、設計馬鈴薯二倍體雜交種子奠定了基礎,。

 

九年破解90%

 

      “要想實現(xiàn)用雜交種子種植馬鈴薯，就必須破解馬鈴薯單倍體,、二倍體和四倍體基因組,。”黃三文說,，馬鈴薯單倍體和二倍體基因組都已經(jīng)繪制完成,。

 

      和其他農(nóng)產(chǎn)品新品種層出不窮的情況不同，優(yōu)質(zhì)馬鈴薯新品種并不多,。市場上售賣的馬鈴薯和幾十年前人們吃的是同樣品種,。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植,。

 

      黃三文說，馬鈴薯普通栽培種是同源四倍體,，其雜交后代性狀分離嚴重,，導致其育種研究困難。解決方法就是用雜交種子代替種薯,。

 

      基因組所研究員張春芝告訴《中國科學報》,，近年來，包括國際馬鈴薯中心,、美國威斯康辛大學,、荷蘭瓦赫寧根大學、荷蘭Solynta公司,、HZPC公司等國外多家科研機構和育種公司已經(jīng)開展了二倍體馬鈴薯雜交育種計劃,。

 

      “但是，他們都遇到一個主要問題：培育的自交系純度不高,，導致F1代的雜交種出現(xiàn)性狀分離,，影響了商品性。這說明通過傳統(tǒng)的育種方式很難培育高純合度的自交系,，因此需要加強對馬鈴薯基因組的理解,，開展馬鈴薯基因組設計育種?！睆埓褐フf,。

 

      對馬鈴薯基因組的研究始于2005年。由14個國家29個單位的97名研究人員組成的國際馬鈴薯基因組測序聯(lián)盟（PGSC,，以下簡稱測序聯(lián)盟）對一種優(yōu)良的馬鈴薯育種材料二倍體RH的基因組圖譜發(fā)起了科研攻關,。然而，由于二倍體馬鈴薯基因組高度雜合,、物理圖譜質(zhì)量不高,、測序成本高等難以克服的困難，項目舉步維艱,，測序聯(lián)盟瀕臨解散,。

 

雜合馬鈴薯 RH中國農(nóng)科院供圖

 

      在這種情況下，黃三文帶領的中方團隊另辟蹊徑,，提出了一套新的策略：以單倍體馬鈴薯DM為材料來降低基因組分析的復雜度,，并采用快捷的全基因組鳥槍法策略和低成本的新一代的DNA測序技術。該策略大大加快了整個項目的進程,，中方團隊于2009年完成了單倍體馬鈴薯基因組的測序,、拼接和注釋工作。

 

      于是,，測序聯(lián)盟放棄了原有二倍體基因組測序的技術路線,，把絕大部分資源聚集在中方主導的單倍體基因組測序項目上,，并于2009年9月23日宣布完成了馬鈴薯全基因組序列圖。

 

      在該序列圖的基礎上,，測序聯(lián)盟又花了近兩年時間對馬鈴薯基因組進行了細致的生物學分析,。2011年，《自然》以封面文章的形式發(fā)布了第一個單倍體馬鈴薯DM的參考基因組,。在那篇文章中,，測序聯(lián)盟也分析了僅組裝10%的二倍體馬鈴薯RH基因組序列。

 

      近10年過去,，黃三文團隊使用同一個馬鈴薯材料RH,，完成了當年測序聯(lián)盟沒有完成的工作。

 

      “我們采用最新的測序技術和組裝算法,，成功實現(xiàn)了RH二倍體基因組的組裝,，這對2011年那篇文章算是一個圓滿回應?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">論文第一作者,、基因組所周倩告訴《中國科學報》。

 

 

1+1遠大于2

 

      “二倍體基因組的工作量比單倍體多了不止兩倍,，因為不僅是多了一套完整且不同的基因組,，而且兩套基因組之間會互相干擾，影響測序結果的準確性,。”中國農(nóng)業(yè)大學教授賴錦盛接受《中國科學報》采訪時說,，馬鈴薯二倍體基因組測序成功，將為破解馬鈴薯四倍體基因組,，加速馬鈴薯育種奠定基礎,。

 

      自然界中的動植物通常擁有雜合二倍體基因組，例如人類基因組擁有兩套來自雙親的染色體,。這兩套染色體的相似度是99.9%,，差異是千分之一?！斑@千分之一的差異就是雜合度,，表示一個二倍體或者多倍體基因組內(nèi)部存在的差異的位點所占的比例?！敝苜唤忉屨f，低雜合度的物種（例如,，雜合度小于0.05%）,，在基因組組裝時通常忽略兩套染色體之間的差異，構建一個參考基因組來代表該物種,。而馬鈴薯是高度雜合的作物,，二倍體馬鈴薯雜合度高達2%,，兩套染色體之間存在大量差異，不能也不應該被忽略,。

 

      “科學家組裝基因組的過程,，類似拼圖?！敝苜徽f,，利用常規(guī)測序方法，一個基因組可能被打碎成數(shù)百萬,、數(shù)千萬的碎片,，而組裝算法就要找到碎片與碎片之間的連接點，從而將碎片拼接成完整的基因組序列,。

 

      在植物基因組內(nèi)部存在著大量極相似的“重復序列”片段,，這些片段就相當于拼圖時形狀、顏色非常相近的碎片,，組裝算法也很難確定它們真正的位置,，因而很容易引起錯誤的組裝結果。

 

      在高雜合基因組中,，來自父方和母方的序列相似度接近99%,，差異點僅有1%-2%，組裝算法很有可能將來自父方的碎片與來自母方的碎片連接在一起,，形成錯誤的組裝結果,，甚至導致無法完成整個拼圖，即獲得完整的全基因組序列,。

 

      “以上兩個原因?qū)е聵嫿ǜ哔|(zhì)量的馬鈴薯雜合基因組十分困難,。”周倩說,。

 

      相對于破譯第一個馬鈴薯基因組已經(jīng)過去將近10年,，基因組測序技術和組裝算法都在不斷升級。黃三文說,，但現(xiàn)在仍然沒有很好的算法可以同時克服植物基因組“重復序列”和“高雜合”這兩個障礙,。在此類基因組項目中，為了獲得高質(zhì)量的組裝序列或者區(qū)分出雜合基因組中來自不同親本的片段 ,，往往需要投入高成本的大片段測序數(shù)據(jù),，如測序BAC克隆，或者使用特殊的實驗設計,，如進行家系測序,。

 

      “技術的進步和馬鈴薯科研成果的積累，綜合在一起，使得他們有機會破解這個重要的二倍體馬鈴薯基因組,?！辟囧\盛說。

 

挑戰(zhàn)：消除有害突變

 

為構建高質(zhì)量的參考基因組以及對單體型進行比較分析,，該研究提出了高準確率HiFi read與遺傳群體測序,、HiC測序相結合的技術路線，克服了“重復序列”和“高雜合”這兩個障礙,，成功組裝了染色體級別的單體型,，為復雜基因組的解析提供了借鑒。

 

雜合二倍體馬鈴薯基因組組裝技術路線,。中國農(nóng)科院供圖

 

      “在完整基因組序列的基礎上,，我們進行了序列比較、基因表達,、有害突變預測,、重點基因的挖掘等分析?！敝苜徽f,。

 

      賴錦盛介紹，在自然情況下,，基因組也會發(fā)生很多變異,。這些變異有的是中性的，有的偏向于有害的,?！坝行苑敝尺^程能對變異進行選擇。有害突變過多的后代可能無法存活,，或者在性狀上表現(xiàn)比較差,。這些后代被淘汰的時候，有害突變也就被淘汰掉了,?！辟囧\盛說，有性繁殖能將基因組內(nèi)的有害突變維持在一個較低水平,。

 

      “大部分二倍體馬鈴薯自交不親和,，一般通過薯塊進行無性繁殖，這就導致基因組重組事件少,，基因信息不流動,，自然突變產(chǎn)生的有害突變就會積累下來，從而使得基因組內(nèi)有害突變的水平較高,?！敝苜徽f,，馬鈴薯在長期的無性繁殖過程中,，累積了大量的有害突變,。

 

雜合基因組內(nèi)兩條同源染色體比較分析。中國農(nóng)科院供圖

 

      類似的研究結果出現(xiàn)在另外一種塊莖類作物木薯的基因組研究中,?？的螤柎髮W的研究人員在241個木薯個體中預測了57,952個有害突變（Lu et.al. 2017,Nature Genetics）。

 

      “在我們只在RH一個二倍體馬鈴薯中,，就檢測到了22,134個有害突變,。”周倩說,，二倍體馬鈴薯的有害突變散布在兩套基因組中,，與其他類型的變異呈馬賽克式分布，并且有害突變還有可能與優(yōu)良基因緊密連鎖,，很難通過傳統(tǒng)雜交的方法徹底淘汰有害突變,。

 

      張春芝介紹，在馬鈴薯育種過程中,，很難避免這些有害突變,，只能通過培育不同遺傳背景的自交系，然后將不同的自交系進行雜交,，使有害突變保持在雜合狀態(tài),，掩蓋其不良效應，從而不會對雜交種的表型產(chǎn)生影響,。

 

定位兩個連鎖的有害基因(ws1,pa1)中國農(nóng)科院供圖

 

      賴錦盛認為,，找到這些有害突變的位置，一方面為一定程度上消除有害突變提供了條件,；另一方面也說明,，由于有害突變分布廣泛，要徹底而系統(tǒng)地消除有害突變難度非常大,，面臨著很大的挑戰(zhàn),。

 

      近年來，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和深圳市的支持下,，黃三文聯(lián)合多家單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,，即用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”，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。

 

      “二倍體馬鈴薯自交系培育的主要任務就是淘汰有害突變,，聚合優(yōu)良等位基因,?！秉S三文說，對二倍體馬鈴薯基因組進行解析,，是為馬鈴薯二倍體育種提供基因組學支持,，有助于利用基因組學和合成生物學方法快速打破馬鈴薯育種中的障礙，構建優(yōu)良的二倍體自交系,。育種過程要通過評估有害突變的遺傳效應,、通過基因組選擇淘汰大效應的有害突變。

 

      “馬鈴薯二倍體基因組的解讀,，讓優(yōu)薯計劃的實現(xiàn)又向前邁進了一步,。”賴錦盛說,。

 

相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x