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

来源：生物世界 2025-01-27 09:49

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。

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