Nature | 黄三文团队系统揭示无性繁殖植物的基因组特征，提出马铃薯理想单倍型育种策略

马铃薯是典型的无性繁殖作物，基因组高度杂合，存在大量有害变异，只有系统揭示马铃薯的基因组特征，才能有效实现“无性繁殖作物有性化育种”。前期已经开展的马铃薯泛基因组（Nature, 2022）尚未完整解析杂合二倍体的两套单倍型。因此，构建能够完整解析单倍型的图泛基因组，以全面捕捉杂合信息和单倍型多样性，对马铃薯有性杂交育种具有重要意义。

北京时间1月23日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）黄三文团队在国际顶级学术期刊《自然（Nature）》上发表了题为“Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato”的研究论文。该研究构建了首个完整解析马铃薯单倍型的泛基因组，首次系统揭示了无性繁殖植物的基因组特征，并在此基础上提出了理想单倍型育种新策略，通过组合不同品系的基因组片段，可以最大限度减少自交系中的有害突变，为高效培育杂交马铃薯提供了全新思路。

在全球面积最大的100种作物中，55种作物是有性繁殖作物，包括水稻、玉米、小麦、番茄等；另外45种是无性繁殖作物，包括马铃薯、红薯、木薯、甘蔗、香（大）蕉、所有果树等。有性繁殖作物育种速度快，无性繁殖作物育种速度慢、难以育成突破性的新品种。马铃薯是世界第一大无性繁殖作物，在120多个国家广泛种植并为超过13亿人提供主食。栽培马铃薯多为同源四倍体，遗传复杂，育种周期漫长，且种薯依靠薯块无性繁殖，易感染病虫害，运输和保存成本高。

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”，提出以二倍体替代四倍体、以杂交种子替代薯块的策略，从根本上变革马铃薯的育种和繁殖方式。

团队先后解码了第一个马铃薯的参考基因组（Nature，2011）、打破自交不亲和（Nature Plants, 2018），解析了自交衰退的遗传基础（Nature Genetics, 2019），探索二倍体和四倍体马铃薯基因组中有害突变的分布模式（Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），培育第一代高纯合度自交系材料（Cell，2021），构建了马铃薯泛基因组并发现了薯块发育的身份基因（Nature, 2022），以及开发“进化透镜” 来鉴定有害点突变（Cell, 2023）。十年磨一剑，团队通过不断地努力，成功培育第一代用种子繁殖的马铃薯—优薯1号，并将马铃薯的育种周期从10-12年缩短至3-5年，繁殖系数提高1000倍。为了加速改良自交系，团队探索充分的利用马铃薯种质资源的遗传多样性，构建马铃薯理想单倍型，指导优良自交系的培育。

解析单倍型的泛基因组

该研究从头组装了31个二倍体马铃薯代表性种质的基因组（其中两个是自交系），共获得60个单倍型组装本。通过构建分型图泛基因组（phased pangenome， 图1），鉴定了大量遗传变异，解析了二倍体马铃薯种质广泛的遗传多样性。

图1 | 马铃薯分型图泛基因组

栽培马铃薯的杂种优势利用

团队提出基于单倍型序列差异长度（GHSL）来估计基因组杂合度，是基于SNPs或K-mer检验杂合度的有效补充。栽培马铃薯个体的平均GHSL值为105Mb（约占基因组的15%），是野生马铃薯的1.5倍，表明驯化过程中栽培个体的两套单倍型差异更为显著。进一步分析表明，栽培马铃薯的杂种优势与杂合度升高及有害变异纯合降低密切相关，说明杂交是马铃薯驯化的遗传基础。

有害结构变异（dSV）的“破窗效应”

马铃薯育种中一大难题是有害变异，包含有害单核苷酸变异（dSNPs）和有害结构变异（dSVs）。茄科的系统进化基因组研究（Cell, 2023），鉴定了大量的进化约束区域及dSNPs，但对dSVs的认识仍然较为缺乏。

研究团队提出了鉴定dSVs的新方法，发现马铃薯基因组中存在约19,625个有害的 dSVs，且揭示有害变异分布并非随机，而是呈现“簇状”聚集特征。分析发现马铃薯单倍型基因组中dSVs存在显著“破窗效应” （图2），即相比另外一条单倍型（repulsion phase），dSVs的存在使其所在单倍型（coupling phase）附近聚集更多的dSNPs和dSVs。

“破窗效应”原是一种社会学理论，指若建筑的破损窗户未及时修复，会导致更多窗户被破坏，进而引发更大的问题，如犯罪率上升。类似地，当大片段的dSV无法清除时，其附近会积累更多dSNPs，影响单倍型的纯化选择。该研究首次系统解析了马铃薯基因组中有害变异的分布规律，为精准识别与清除有害变异提供了理论依据。

图2 | dSNPs在dSV单倍型附近偏向性积累。dSV coupling phase指聚焦的dSV所在的单倍型，dSV repulsion phase则指对应的另外一条单倍型

以理想单倍型为核心的未来育种计划

研究团队在2021年成功构建了优薯自交系（Cell，2021），并培育了第一代用种子繁殖的杂交马铃薯——优薯1号。然而，第一代自交系中仍存在一些dSVs影响马铃薯的生长和发育。为此，研究团队提出了理想单倍型（Ideal Potato Haplotypes, IPHs）育种策略，为“优薯1号”的两个亲本分别设计了理想单倍型。通过设计不同优良品系的基因型组合，指导自交系的精准育种。该策略旨在最大限度减少有害的dSVs和dSNPs数量，为高效培育杂交马铃薯提供了全新思路。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所为该论文的第一单位，基因组所黄三文研究员为该论文的通讯作者，基因组所与比利时列日大学联培博士生程林、基因组所博士后王楠、马克斯-普朗克研究所博士生鲍志贵为文章共同第一作者。基因组所周永锋研究员、苏黎世联邦理工学院的Thomas Städler教授、中山大学周倩副研究员、美国田纳西大学健康科学中心Andrea Guarracino博士为本文作出了重要贡献。美国田纳西大学健康科学中心Erik Garrison副教授、莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所Nils Stein教授、加州大学戴维斯分校William J. Lucas教授、列日大学Ludivine Lassois副研究员为本文提供了重要指导。基因组所张春芝研究员、南京农业大学吴瑶瑶教授、耶鲁大学博士后唐蝶、中国科学院植物研究所周姚研究员、基因组所杨雨婷、王培、张智洋、张平贤、郑毅、胡勇、练群，马召旭等参与了此研究。

该研究得到了国家自然基金委、国家重点研发计划、广东省、深圳市和农科院的资助。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08476-9

来源：中国农业科学院深圳农业基因组研究所