黄三文院士团队再发Nature：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新策略

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

马铃薯（土豆）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。

2025 年 1 月 22 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）黄三文院士团队在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato 的研究论文【1】。

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。

在全球种植面积最大的 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

研究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 SNP 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（dSNP）和有害结构变异（dSV）。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 dSNP，但对 dSV 的认识仍然较为缺乏。

研究团队提出了鉴定 dSV 的新方法，发现马铃薯基因组中存在约 19625 个有害的 dSV，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 dSV 存在显著“破窗效应” （图2），即相比另外一条单倍型（repulsion phase），dSV 的存在使其所在单倍型（coupling phase）附近聚集更多的 dSNP 和 dSV 。

“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 dSNP，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. dSNP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 dSV 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，IPH）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 dSV 和 dSNP 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，基因组所黄三文院士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论文共同第一作者。

2024 年 11 月 14 日，中国农业科学院黄三文院士团队，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty 的研究论文 【2】 。

该研究表明，只需敲除两个基因——SlCDPK27和SlCDPK26，就能让番茄更甜，同时不会牺牲番茄的重量或产量。这项研究阐释了番茄糖分积累背后的遗传机制和分子机制。

在这项最新研究中，黄三文院士团队比较了栽培番茄和野生番茄物种，发现 SlCDPK27 和 SlCDPK26 这两个基因是番茄糖分积累的关键调控因子。这两个基因编码的蛋白会与一个产生蔗糖的酶相互作用并促进其降解。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08476-9

2. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08186-2