北京時間2023年5月4日晚，《細胞》（Cell ）在線發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文團隊的最新研究成果，他們利用進化基因組學鑒定了馬鈴薯基因組的有害突變，進而指導雜交馬鈴薯育種。
黃三文團隊聯合國內外研究團隊，收集大量茄科物種資源，通過對100個茄科基因組的比較分析來追蹤最長8千萬年、累計12億年的進化痕跡，在此基礎上開發出“進化透鏡”來發現馬鈴薯進化約束及有害突變，繪制了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜，開發全基因組預測新模型，加速了雜交馬鈴薯育種進程。
該研究使得我國在馬鈴薯育種基礎理論和技術上站在了世界領先地位。
“優薯計劃”：馬鈴薯產業的綠色革命
馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，是13億人口的主要糧食來源。馬鈴薯具有產量高、用水少、可種植地域廣等優點。
論文通訊作者黃三文告訴《中國科學報》，由于傳統栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，導致育種進程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等問題。
為解決上述難題，黃三文團隊聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”，旨在用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。將馬鈴薯的育種周期由原來的10～12年縮短至3～5年，繁殖系數提高1000倍，有望引領馬鈴薯產業的“綠色革命”。
然而，要實現馬鈴薯雜交育種，必須繞過兩個難以避免的“暗礁”。黃三文介紹，自交不親和（植物自花授粉后不能產生成熟種子）及自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及產量下降）是妨礙馬鈴薯育種進程的兩大障礙。
為解決這兩個問題，黃三文團隊解析了單倍體、二倍體及四倍體馬鈴薯基因組（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了馬鈴薯自交不親和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了馬鈴薯演化及薯塊演化的規律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遺傳基礎（Nature Genetics, 2019），通過剔除極大效應有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種（Cell，2021; JIPB，2022）。
黃三文強調，盡管如此，馬鈴薯基因組中大量雜合有害突變、排斥相連鎖產生的希爾—羅伯森（Hill-Robertsen）干涉，會導致有害突變難以通過表型來發現，難以通過自交來淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突變，需要進一步剔除。
“為實現品種快速改良必須高效剔除有害突變，亟需一種準確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術。”黃三文說。
以史為“鏡”：鑒定有害突變
如何界定有害突變呢？黃三文認為，只通過馬鈴薯基因組信息是難以確定的。于是他們從進化的角度把眼光放到了茄科植物等近緣植物上。
研究人員收集了大量茄科物種資源，新完成了38份茄科基因組組裝，結合57個已發表茄科作物、5份旋花科材料基因組數據，獲得100份材料的基因組信息，完成了茄科基因組組裝和組學進化分析。
“這些材料最長進化時間為8千萬年，累計十二億年的進化時間。”論文第一作者、基因組所博士后吳瑤瑤告訴《中國科學報》，通過追蹤這段進化歷史的突變積累及選擇結果，開發進化透鏡，從全基因組層面鑒定進化約束位點及其進化保守值。
吳瑤瑤介紹，他們對這些位點的進化保守程度進行了評估，進化保守值越高的位點更可能具有重要功能，突變后更可能降低馬鈴薯繁殖力、生活力及產量，即形成有害突變。隨后他們將突變位點的進化保守值作為有害程度值，繪制了首個包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，為鑒定馬鈴薯功能位點及剔除有害突變提供了新依據。
“這就像一個進化透鏡。”吳瑤瑤解釋說，100份材料基因組序列透過最長8000萬年的進化、突變及選擇，受到了進化約束，利用這個系統可以區分出對繁殖力、生活力不同重要性序列，就如同白光透過三棱鏡會根據波長分散為7種單色光一樣。
黃三文說，優薯計劃最關鍵的步驟是構建馬鈴薯高度純合的自交系。在高度純合的自交系構建過程中，這些原本隱藏在雜合位點的有害突變成為純合而暴露其有害功能，從而產生自交衰退，成為雜交馬鈴薯育種的卡脖子問題。
例如，國際上經過9代自交獲得的馬鈴薯株系Solyntus，其全基因組仍有20%的區域雜合，無法成功構建高度純合自交系。由于希爾—羅伯森干涉作用，有害突變難以通過自交來完全淘汰。
黃三文強調，該項研究繪制的高質量有害突變二維圖譜是指導選擇起始材料、減少有害突變遺傳給后代、解決構建自交系難題的主要途徑。
反直覺選擇：所見未必即所得
基于該圖譜，研究人員統計了起始材料傳給后代的有害突變總值（即有害突變遺傳總值），并選擇有害突變總值低的材料來作為構建自交系的起始材料。
他們在育種實踐中驗證了該選擇模型的可靠性。吳瑤瑤介紹，傳統育種通常依據表型，選擇長勢好的材料作為起始材料，然而這些材料往往具有更高有害突變遺傳總值，選擇這些材料反而會增加高度純合自交系構建難度；說明基因組指導選擇與基于表型選擇的結果相反，是一種反直覺選擇。
“該反直覺選擇可以有效選取自交系的起始材料，在當代就可以預測2-3年后自交系構建結果，大幅提高自交系構建成功率，在更短時間內培育更多自交系及雜交品種。”吳瑤瑤說。
“有害突變預測，相當于在馬鈴薯的全基因組選擇育種技術加上了一個新的維度。”黃三文強調，馬鈴薯育種可以借此駛入快車道。
該團隊發現，有害突變總值與產量、株高、薯塊等性狀顯著相關。吳瑤瑤介紹，他們首次將有害突變信息整合到全基因組預測新模型來預測馬鈴薯產量等農藝性狀。相比缺少有害突變信息模型，預測準確度提高了45%；相比隨機有害突變信息模型，預測準確度提高了25%；在馬鈴薯中達到了前所未有的準確度。
黃三文說，該模型能夠根據基因型及有害突變信息準確估計育種值，更好地幫助育種家制定早期育種決策，進一步降低育種成本、縮短馬鈴薯育種周期、快速培育高產優質馬鈴薯品種。
該研究開創了進化透鏡鑒定有害突變的新技術，提出了高度純合自交系起始材料反直覺選擇的新依據，開發了全基因組預測農藝性狀的新策略，標志著我國在馬鈴薯育種理論和技術上站在了世界領先地位。
黃三文為通訊作者，吳瑤瑤、基因組所博士后李大偉、碩士生胡勇為共同第一作者。基因組所博士生李宏博、奧胡斯大學教授Guillaume P. Ramstein，康奈爾大學教授Edward S. Buckler、蘇黎世大學教授Thomas St?dler、英國自然博物館研究員Sandra Knapp等人為該研究提出了重要指導。
該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國農業科學院、廣東省、深圳市及大鵬新區的資助。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.04.008
