黄三文团队解析马铃薯自交衰退的遗传基础
马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物。与其它谷物类粮食作物不同，马铃薯是依靠薯块繁殖的同源四倍体物种。隐性有害等位基因隐藏在高度杂合的四倍体基因组中，使得优良等位基因很难聚合在一起，这是导致马铃薯育种周期长的主要原因。一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植，如美国的 Russet Burbank（1902年育成）和荷兰的 Bintje（1904年育成）。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的，至今已经种植了近60年。马铃薯产业面临的另外一个挑战是薯块繁殖，存在繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。
为了彻底打破产业发展中的障碍，在农业农村部和深圳市的支持下，中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员联合国内外优势单位发起了“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。该项目被中国农业科学院列为“重大产出科研选题”之一。
2019年1月14日，黄三文研究员团队在 Nature Genetics 在线发表了题为The genetic basis of inbreeding depression in potato 的研究论文，解析了马铃薯自交衰退遗传机制，这是“优薯计划”实施以来取得的重大理论突破。
自然界中70%的马铃薯种质资源为二倍体，其丰富的遗传变异为“优薯计划”的实施提供了基础。但是，自交不亲和与自交衰退限制了自交系的培育。在之前的研究中，黄三文团队通过基因组编辑的方法克服了自交不亲和的问题（Ye et al., Nature Plants, 2018 DOI: 10.1038/s41477-018-0218-6），扫清了“优薯计划”的第一道障碍。但是，作为长期无性繁殖的异交作物，马铃薯具有严重的自交衰退，主要表现在生活力下降、育性变差、产量降低等。
在这项最新的研究中，研究人员重点解析了马铃薯自交衰退的遗传基础。有害突变是导致自交衰退的主要原因。研究人员通过对151份二倍体马铃薯进行重测序，鉴定了全基因组范围内共344,831个有害突变。这些有害突变在近着丝粒区域富集，因此很难通过遗传重组将它们全部清除。进一步分析发现，任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11％，说明马铃薯中的有害突变具有品系特异性，因此，可以通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态，获得具有杂种优势的F1杂交种。
为了鉴定这些有害突变的遗传效应，研究人员构建了3个自交群体，并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法，在三个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域，暗示这些区域含有大效应的有害突变。结合表型分析，该研究鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。研究人员对其中的一个致死突变ar1 进行了图位克隆和功能验证，发现它控制胚的发育。等位基因频率分析发现，ar1 在马铃薯群体中是一个稀有突变。有意思的是，这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域，说明可以通过遗传重组将它们有效清除。
图1 三个自交群体全基因组范围内的偏分离及自交衰退相关表型
a－c：三个自交群体的偏分离情况。红色表示合子偏分离，蓝色表示配子偏分离。黑色曲线表示重组率的高低。d、f、h、j和l表示正常植株，e、g、i、k、m和n分别表示对应的隐性突变表型根发育畸形、白化苗、叶缘黄化、叶片褪绿、多分枝和过度营养生长。
本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础，也为解析其它无性繁殖作物的自交衰退提供了借鉴。
该论文的第一作者为张春芝博士，云南师范大学博士生王培和基因组所硕士生唐蝶为本文的共同第一作者，通讯作者为黄三文研究员。本研究由农业农村部、中国农业科学院“重大产出科研选题”，中国农科院科技创新工程、国家自然科学基金委、云南省高端人才以及深圳市配套经费的资助。
黄三文现为中国农业科学院农业基因组研究所研究员、所长，国家农业基因组科技创新联盟理事长。黄三文研究员主要致力于构建蔬菜和马铃薯全基因组设计育种的理论和方法体系，是国际蔬菜基因组研究领域的奠基人之一，担任国际黄瓜基因组计划的首席科学家和国际茄科基因组研究联盟的共同主席。组织和参与组织了黄瓜、马铃薯、番茄等重要作物的基因组测序，奠定了我国在这个领域的优势地位（Nature Genetics 2009, 2011, 2013; Nature 2011, 2012）。系统收集和分析了3000多份黄瓜品系和600多份番茄品系，构建了黄瓜和番茄的变异组图谱，阐明了这两种作物驯化和分化的遗传基础，为种质资源的育种利用提供了理论框架（Nature Genetics 2013, 2014）。利用组学工具，揭示了黄瓜苦味生物合成和调控的分子机制，阐明了人工选择对番茄果实代谢的影响并提出了番茄风味改良路线图，为培育优质蔬菜品种提供了分子育种工具（Science 2014, 2017; Cell 2018）。共发表学术论文100余篇，被SCI他引6000余次，得到了Nature Review Genetics、Faculty of 1000 等期刊和同行专家的高度评价，在植物基因组学和园艺学领域具有广泛的国际影响。2012年担任国家“973”项目首席科学家，获得国家杰出青年科学基金资助，入选“万人计划”。2016年获得“周光召基金会”基础科学奖。2018年获得何梁何利基金科学与技术进步奖“生命科学奖”。主持完成的“黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究”项目获2018年国家自然科学奖二等奖。担任 Molecular Plant 和 JIPB 等学术期刊的编委。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41588-018-0319-1
