Nature：黄三文团队两项研究探索泛基因组赋能育

作者：杨超月

　　泛基因组（Pan-genome）是一个物种内所有基因组信息的总和。相比传统的单一参考基因组，泛基因组包括了更多的遗传多样性，可以有效降低参考基因组偏差对遗传变异检测的影响。目前水稻、玉米、小麦、大麦、大豆和番茄等作物均构建了泛基因组，并在功能基因研究、育种改良等领域都体现出重要价值。

　　但是，目前对泛基因组的遗传学分析，大多停留在单个参考基因组的分析框架内，因此，如何充分利用泛基因组的优势解决重要的生物学问题，促进植物遗传育种研究，仍然需要更多的创新探索。

　　2022年6月8日，Nature 杂志同时在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下称“基因组所”）黄三文团队在植物基因组学领域的两项重要研究成果，为实现泛基因组在作物育种的应用，提供了新的解决方案。

　　研究一：野生与栽培马铃薯的基因组进化与多样性

　　为指导马铃薯产业的绿色革命，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，通过基因组学和合成生物学研究方法，用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，变革马铃薯的育种和繁殖方式。

　　该团队先后打破马铃薯自交不亲和（Nature Plant, 2018），解析了自交衰退的遗传基础（Nature Genetics, 2019），发现杂合马铃薯基因组中有害突变的嵌合分布模式（Nature Genetics, 2020），并培育了第一代高纯合度自交系材料（Cell，2021）。在此基础上，为了充分利用二倍体资源中的优异性状，加快杂交马铃薯育种，探究马铃薯无性繁殖方式对马铃薯基因组的影响及薯块形成的遗传演化机制，研究人员构建了高质量的二倍体马铃薯泛基因组图谱。

论文截图

　　研究人员分析了具有代表性的44份二倍体马铃薯种质的基因组，包括农家品种、野生种和两份不结薯的马铃薯姊妹类群材料（Section Etuberosum）（图1-1）。分析发现，马铃薯与近源物种番茄和Etuberosum 之间以及马铃薯类群内部，都存在广泛的不完全谱系分选和物种间杂交的现象，也说明了马铃薯类群的演化历史非常复杂。

　　图1-1 结薯种与不结薯种表型。左图为不结薯材料Etuberosum ，右图为结薯材料马铃薯。Etuberosum 和马铃薯都会产生地下分枝，Etuberosum 的地下分枝向上生长发育成新的植株；而马铃薯的匍匐茎向下生长，并且在匍匐茎顶端膨大形成薯块 | 参考文献[1]

　　以抗病基因（R基因）为例，由于R基因在基因组中串联分布，所以经常“误导”传统的基因结构注释流程，而产生错误的注释结果。研究人员基于高质量的基因组组装，开发出一套R基因注释流程，并发现马铃薯中R基因拷贝数明显比番茄和Etuberosum 更高。

　　与种子繁殖植物相比，无性繁殖的马铃薯更容易受到病原菌的侵染，这可能促使了马铃薯扩张R基因数量以应对这种侵染。类似地，研究人员发现无性繁殖的甘薯野生种基因组中，抗病基因的拷贝数相比于有性生殖的牵牛花数量显著扩增，也进一步印证了这一推测。

　　通过马铃薯、番茄和Etuberosum 的多组学比较分析，研究人员鉴定到一个可能在薯块发育过程中发挥关键作用的TCP转录因子，所在的基因命名为薯块身份基因Identity of Tuber 1 (IT1)。基因敲除实验证明，该基因在薯块发育的起始时期发挥关键作用。敲除该基因的突变体匍匐茎顶端转而发育成了侧枝，无法正常膨大形成薯块；IT1与结薯移动信号因子SP6A存在蛋白直接相互作用，不结薯种Etuberosum 虽然有IT1基因，却在SP6A上有突变，也导致最终薯块发育不成功（图1-2）。

　　图1-2 通过多组学比较分析鉴定马铃薯薯块身份基因IT1。a). 多组学手段鉴定到229个薯块发育相关候选基因。b). IT1基因附近的保守非编码序列。tepCNS: 番茄、Etuberosum 、马铃薯共有的保守非编码序列得分，pCNS: 马铃薯特有的保守非编码序列得分。c). IT1在不同材料、不同组织中的表达量热图。d). 野生型与 it1敲除突变型的表型。e). 野生型与it1突变型材料在薯块起始发育过程中的表型比较。f). 酵母双杂验证IT1与SP6A的互作。g).马铃薯与Etuberosum 中的SP6A蛋白结构域示意图 | 参考文献[1]

　　此外，研究人员还鉴定得到561,433个高质量的结构变异，并且首次构建了栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱。其中，马铃薯3号染色体5.8 Mb的倒位事件，与控制块茎中类胡萝卜素积累的基因紧密连锁，且自交后代在该区域的基因重组率显著降低，这一现象为改良自交系，摆脱目标基因附近潜在的不良基因连锁，提高育种效率提供了重要思路（图1-3）。