和水稻、小麦、玉米不同，作为营养全面的世界第三大主粮作物，马铃薯并不是靠种子种植的。百余年来，马铃薯依靠地下的块茎，也就是种薯进行无性繁殖。

 

      “栽培马铃薯是同源四倍体，这使得马铃薯的遗传育种十分困难，品种改良周期漫长。”中国农科院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）所长黄三文告诉《中国科学报》。

 

      北京时间9月28日晚23时，《自然—遗传》在线发表了黄三文团队首次测序完成的杂合二倍体马铃薯基因组。该研究成果不仅提供了迄今最完整的杂合马铃薯基因组、最全面的马铃薯单体型比较分析，而且为解决马铃薯自交衰退问题、设计马铃薯二倍体杂交种子奠定了基础。

 

九年破解90%

 

      “要想实现用杂交种子种植马铃薯，就必须破解马铃薯单倍体、二倍体和四倍体基因组。”黄三文说，马铃薯单倍体和二倍体基因组都已经绘制完成。

 

      和其他农产品新品种层出不穷的情况不同，优质马铃薯新品种并不多。市场上售卖的马铃薯和几十年前人们吃的是同样品种。一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植。

 

      黄三文说，马铃薯普通栽培种是同源四倍体，其杂交后代性状分离严重，导致其育种研究困难。解决方法就是用杂交种子代替种薯。

 

      基因组所研究员张春芝告诉《中国科学报》，近年来，包括国际马铃薯中心、美国威斯康辛大学、荷兰瓦赫宁根大学、荷兰Solynta公司、HZPC公司等国外多家科研机构和育种公司已经开展了二倍体马铃薯杂交育种计划。

 

      “但是，他们都遇到一个主要问题：培育的自交系纯度不高，导致F1代的杂交种出现性状分离，影响了商品性。这说明通过传统的育种方式很难培育高纯合度的自交系，因此需要加强对马铃薯基因组的理解，开展马铃薯基因组设计育种。”张春芝说。

 

      对马铃薯基因组的研究始于2005年。由14个国家29个单位的97名研究人员组成的国际马铃薯基因组测序联盟（PGSC，以下简称测序联盟）对一种优良的马铃薯育种材料二倍体RH的基因组图谱发起了科研攻关。然而，由于二倍体马铃薯基因组高度杂合、物理图谱质量不高、测序成本高等难以克服的困难，项目举步维艰，测序联盟濒临解散。

 

杂合马铃薯 RH中国农科院供图

 

      在这种情况下，黄三文带领的中方团队另辟蹊径，提出了一套新的策略：以单倍体马铃薯DM为材料来降低基因组分析的复杂度，并采用快捷的全基因组鸟枪法策略和低成本的新一代的DNA测序技术。该策略大大加快了整个项目的进程，中方团队于2009年完成了单倍体马铃薯基因组的测序、拼接和注释工作。

 

      于是，测序联盟放弃了原有二倍体基因组测序的技术路线，把绝大部分资源聚集在中方主导的单倍体基因组测序项目上，并于2009年9月23日宣布完成了马铃薯全基因组序列图。

 

      在该序列图的基础上，测序联盟又花了近两年时间对马铃薯基因组进行了细致的生物学分析。2011年，《自然》以封面文章的形式发布了第一个单倍体马铃薯DM的参考基因组。在那篇文章中，测序联盟也分析了仅组装10%的二倍体马铃薯RH基因组序列。

 

      近10年过去，黄三文团队使用同一个马铃薯材料RH，完成了当年测序联盟没有完成的工作。

 

      “我们采用最新的测序技术和组装算法，成功实现了RH二倍体基因组的组装，这对2011年那篇文章算是一个圆满回应。”论文第一作者、基因组所周倩告诉《中国科学报》。

 

 

1+1远大于2

 

      “二倍体基因组的工作量比单倍体多了不止两倍，因为不仅是多了一套完整且不同的基因组，而且两套基因组之间会互相干扰，影响测序结果的准确性。”中国农业大学教授赖锦盛接受《中国科学报》采访时说，马铃薯二倍体基因组测序成功，将为破解马铃薯四倍体基因组，加速马铃薯育种奠定基础。

 

      自然界中的动植物通常拥有杂合二倍体基因组，例如人类基因组拥有两套来自双亲的染色体。这两套染色体的相似度是99.9%，差异是千分之一。“这千分之一的差异就是杂合度，表示一个二倍体或者多倍体基因组内部存在的差异的位点所占的比例。”周倩解释说，低杂合度的物种（例如，杂合度小于0.05%），在基因组组装时通常忽略两套染色体之间的差异，构建一个参考基因组来代表该物种。而马铃薯是高度杂合的作物，二倍体马铃薯杂合度高达2%，两套染色体之间存在大量差异，不能也不应该被忽略。

 

      “科学家组装基因组的过程，类似拼图。”周倩说，利用常规测序方法，一个基因组可能被打碎成数百万、数千万的碎片，而组装算法就要找到碎片与碎片之间的连接点，从而将碎片拼接成完整的基因组序列。

 

      在植物基因组内部存在着大量极相似的“重复序列”片段，这些片段就相当于拼图时形状、颜色非常相近的碎片，组装算法也很难确定它们真正的位置，因而很容易引起错误的组装结果。

 

      在高杂合基因组中，来自父方和母方的序列相似度接近99%，差异点仅有1%-2%，组装算法很有可能将来自父方的碎片与来自母方的碎片连接在一起，形成错误的组装结果，甚至导致无法完成整个拼图，即获得完整的全基因组序列。

 

      “以上两个原因导致构建高质量的马铃薯杂合基因组十分困难。”周倩说。

 

      相对于破译第一个马铃薯基因组已经过去将近10年，基因组测序技术和组装算法都在不断升级。黄三文说，但现在仍然没有很好的算法可以同时克服植物基因组“重复序列”和“高杂合”这两个障碍。在此类基因组项目中，为了获得高质量的组装序列或者区分出杂合基因组中来自不同亲本的片段 ，往往需要投入高成本的大片段测序数据，如测序BAC克隆，或者使用特殊的实验设计，如进行家系测序。

 

      “技术的进步和马铃薯科研成果的积累，综合在一起，使得他们有机会破解这个重要的二倍体马铃薯基因组。”赖锦盛说。

 

挑战：消除有害突变

 

为构建高质量的参考基因组以及对单体型进行比较分析，该研究提出了高准确率HiFi read与遗传群体测序、HiC测序相结合的技术路线，克服了“重复序列”和“高杂合”这两个障碍，成功组装了染色体级别的单体型，为复杂基因组的解析提供了借鉴。

 

杂合二倍体马铃薯基因组组装技术路线。中国农科院供图

 

      “在完整基因组序列的基础上，我们进行了序列比较、基因表达、有害突变预测、重点基因的挖掘等分析。”周倩说。

 

      赖锦盛介绍，在自然情况下，基因组也会发生很多变异。这些变异有的是中性的，有的偏向于有害的。“有性繁殖过程能对变异进行选择。有害突变过多的后代可能无法存活，或者在性状上表现比较差。这些后代被淘汰的时候，有害突变也就被淘汰掉了。”赖锦盛说，有性繁殖能将基因组内的有害突变维持在一个较低水平。

 

      “大部分二倍体马铃薯自交不亲和，一般通过薯块进行无性繁殖，这就导致基因组重组事件少，基因信息不流动，自然突变产生的有害突变就会积累下来，从而使得基因组内有害突变的水平较高。”周倩说，马铃薯在长期的无性繁殖过程中，累积了大量的有害突变。

 

杂合基因组内两条同源染色体比较分析。中国农科院供图

 

      类似的研究结果出现在另外一种块茎类作物木薯的基因组研究中。康奈尔大学的研究人员在241个木薯个体中预测了57,952个有害突变（Lu et.al. 2017,Nature Genetics）。

 

      “在我们只在RH一个二倍体马铃薯中，就检测到了22,134个有害突变。”周倩说，二倍体马铃薯的有害突变散布在两套基因组中，与其他类型的变异呈马赛克式分布，并且有害突变还有可能与优良基因紧密连锁，很难通过传统杂交的方法彻底淘汰有害突变。

 

      张春芝介绍，在马铃薯育种过程中，很难避免这些有害突变，只能通过培育不同遗传背景的自交系，然后将不同的自交系进行杂交，使有害突变保持在杂合状态，掩盖其不良效应，从而不会对杂交种的表型产生影响。

 

定位两个连锁的有害基因(ws1,pa1)中国农科院供图

 

      赖锦盛认为，找到这些有害突变的位置，一方面为一定程度上消除有害突变提供了条件；另一方面也说明，由于有害突变分布广泛，要彻底而系统地消除有害突变难度非常大，面临着很大的挑战。

 

      近年来，在农业农村部和深圳市的支持下，黄三文联合多家单位发起了“优薯计划”，即用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”，用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。

 

      “二倍体马铃薯自交系培育的主要任务就是淘汰有害突变，聚合优良等位基因。”黄三文说，对二倍体马铃薯基因组进行解析，是为马铃薯二倍体育种提供基因组学支持，有助于利用基因组学和合成生物学方法快速打破马铃薯育种中的障碍，构建优良的二倍体自交系。育种过程要通过评估有害突变的遗传效应、通过基因组选择淘汰大效应的有害突变。

 

      “马铃薯二倍体基因组的解读，让优薯计划的实现又向前迈进了一步。”赖锦盛说。

 

相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x