5月4日深夜，國際權(quán)威期刊《細(xì)胞（Cell）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種）”。

該研究通過利用進(jìn)化基因組學(xué)開發(fā)歷史透鏡，高通量鑒定并整合全基因組功能位點(diǎn)、有害突變二維圖譜，指導(dǎo)馬鈴薯育種決策，加速馬鈴薯育種進(jìn)程，是我國雜交馬鈴薯育種技術(shù)取得又一重大突破。

此項(xiàng)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。基因組所研究員黃三文為通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士研究生胡勇為該論文的共同第一作者，同時(shí)得到了來自英國、美國、瑞士、德國等多個(gè)國家地區(qū)的科研專家指導(dǎo)。

馬鈴薯的綠色革命

“優(yōu)薯計(jì)劃”

作為13億人口的主要糧食來源，馬鈴薯（又名土豆）是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國第四大主糧作物，其具有產(chǎn)量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體且基因組復(fù)雜，導(dǎo)致育種進(jìn)程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等問題。

為解決上述難題，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，旨在用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。

“我們有兩個(gè)目標(biāo)，一個(gè)是將馬鈴薯的育種周期由原來的10～12年縮短至3～5年，一個(gè)是繁殖系數(shù)提高1000倍。”黃三文說。

黃三文還介紹了研究過程中妨礙馬鈴薯育種的兩大障礙，“這主要是自交不親及自交衰退，而自交不親俗稱植物自花授粉后不能產(chǎn)生成熟種子，另一個(gè)顧名思義是自交或近交造成繁殖力、生活力及產(chǎn)量下降。”

為了攻關(guān)這兩大難題，黃三文團(tuán)隊(duì)先后解析了馬鈴薯單倍體、二倍體及四倍體基因組和泛基因組，打破了自交不親和，初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)，通過清除大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種。

（研究團(tuán)隊(duì)利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種示意圖。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)供圖）

首個(gè)包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜繪制成功

為了培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種，科學(xué)家需要找到優(yōu)良的自交系起始材料用于培育優(yōu)良的二倍體馬鈴薯雜交種，而如何鑒定并選擇自交系親本，以及進(jìn)一步培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種就成了擺在研究人員面前的一道難題。

對此，研究人員收集了大量茄科物種資源，完成了38份茄科基因組組裝，結(jié)合已發(fā)表數(shù)據(jù)，獲得95份茄科材料、5份旋花科材料基因組信息，完成了茄科基因組組裝和組學(xué)進(jìn)化分析。

“這些材料最長進(jìn)化時(shí)間為8千萬年，累計(jì)有12億年進(jìn)化時(shí)間。”研究人員表示，通過追蹤這段進(jìn)化歷史的突變積累及選擇結(jié)果，此項(xiàng)研究從全基因組層面鑒定了進(jìn)化保守位點(diǎn)及其程度（進(jìn)化保守值），保守值越高的位點(diǎn)具有更重要功能，這些位點(diǎn)突變后更可能對馬鈴薯產(chǎn)生不良效應(yīng)，即有害突變。

研究人員將進(jìn)化保守值，作為有害程度值，繪制了首個(gè)包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，為鑒定馬鈴薯功能位點(diǎn)及剔除有害突變提供了新依據(jù)。

研究人員發(fā)現(xiàn)按照傳統(tǒng)育種經(jīng)驗(yàn)，一般會優(yōu)先選擇“看起來”長勢良好的親本材料作為自交系構(gòu)建起始材料，然而，該研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯自交系構(gòu)建中，事實(shí)恰恰相反，長勢良好的起始材料往往隱藏著更高的雜合有害突變及有害突變總量。也就是說，它們自交產(chǎn)生的后代中有害突變會更多，就更不易培育出優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯自交系。

“這就是為什么光看‘外表’，也就是按照表型選擇，會導(dǎo)致自交系構(gòu)建失敗的原因。”研究人員指出，此項(xiàng)研究提供了要依靠有害突變遺傳總值來指導(dǎo)親本選擇的新依據(jù)，可以提早預(yù)判自交系構(gòu)建成敗，從而在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造更多自交系及雜交品種。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全基因組預(yù)測新模型 更好地幫助育種家制定早期育種決策

“理想”的親本材料構(gòu)建了自交系，育種家們還要進(jìn)行雜交組配及品種改良，需要等待漫長的生育周期，才能“看到”培育出的品種效果或性狀，這一過程不僅會消耗大量的人力物力，還會嚴(yán)重拖緩馬鈴薯的育種進(jìn)度。

黃三文團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全基因組預(yù)測新模型，通過將有害突變信息納入模型中，可大幅提高產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀的預(yù)測準(zhǔn)確度。

經(jīng)過研究測試后，該模型預(yù)測準(zhǔn)確度提高了45%；相比隨機(jī)有害突變信息模型，預(yù)測準(zhǔn)確度提高了25%；在馬鈴薯中達(dá)到了前所未有的準(zhǔn)確度。該模型能夠根據(jù)基因型及有害突變信息準(zhǔn)確估計(jì)育種值，更好地幫助育種家制定早期育種決策，進(jìn)一步降低育種成本、縮短馬鈴薯育種周期、快速培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種。

“我們農(nóng)業(yè)育種離不開大數(shù)據(jù)，離不開遺傳學(xué)、基因組學(xué)的布局。這一最新成果即便在國際上也是獨(dú)樹一幟的。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌說，研究團(tuán)隊(duì)敏銳地捕捉并完成了這一前沿并具挑戰(zhàn)性的工作，創(chuàng)新性地應(yīng)用了比較基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)來指導(dǎo)馬鈴薯育種，對我國種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。