“優(yōu)薯計劃”迎來新利器！進化透鏡加速雜交馬鈴薯育種

　　北京時間2023年5月4日，國際權威期刊《細胞（Cell）》在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進化基因組學鑒定有害突變、加速雜交馬鈴薯育種）”。黃三文團隊聯(lián)合國內外優(yōu)秀單位，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、累計十二億年的進化痕跡，在此基礎上開發(fā)出“進化透鏡”來發(fā)現(xiàn)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。利用圖譜信息，提出反直覺的自交系培育方法，開發(fā)全基因組預測新模型，使馬鈴薯產量預測達到了前所未有的準確度，加速了雜交馬鈴薯育種進程。該研究使得我國在鈴薯育種基礎理論和技術上站在了世界領先地位。

 

　　“優(yōu)薯計劃”—馬鈴薯產業(yè)的綠色革命

 

　　馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國第四大主糧作物。馬鈴薯具有產量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點。然而，由于傳統(tǒng)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，由于采用薯塊無性繁殖，馬鈴薯還面臨著繁殖系數(shù)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(lián)合國內外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)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(shù)提高1000倍，有望引領馬鈴薯產業(yè)的“綠色革命”。

 

　　“有害突變”導致的自交衰退是“優(yōu)薯計劃”航道上的“暗礁”：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，黃三文團隊先后解析了馬鈴薯單倍體、二倍體及四倍體基因組和泛基因組（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022; Nature，2022），打破了自交不親和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），初步解析了自交衰退的遺傳基礎，通過清除大效應有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種（Nature Genetics, 2019; Cell，2021; JIPB，2022）。

 

　　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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)品種快速改良必須高效剔除有害突變，因此亟需一種準確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術。

 

　　以史為鏡鑒定有害突變

 

　　為此，研究人員收集了大量茄科物種資源，完成了38份茄科基因組組裝，結合已發(fā)表數(shù)據(jù)，獲得95份茄科材料、5份旋花科材料（共92個物種，100份材料）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。研究人員通過追蹤這段進化歷史的突變積累及選擇結果，開發(fā)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。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。研究人員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(jù)。

 

　　優(yōu)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(qū)域雜合，無法成功構建高度純合自交系（van Lieshout et al., 2020 G3）。由于希爾—羅伯森（Hill-Robertsen）干涉作用，有害突變難以通過自交來完全淘汰。本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。

 

　　基于該圖譜，研究人員統(tǒng)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。并在育種實踐中驗證了該選擇模型的可靠性。傳統(tǒng)育種通常依據(jù)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。

 

　　有害突變預測+全基因組選擇使馬鈴薯育種駛入了快車道：研究人員發(fā)現(xiàn)有害突變總值與產量、株高、薯塊等性狀顯著相關，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。該模型能夠根據(jù)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(yōu)質馬鈴薯品種。

 

　　本研究開創(chuàng)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(jù)，開發(fā)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。

 

　　中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（以下簡稱“基因組所”）研究員黃三文為通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士生胡勇為該論文的共同第一作者?；蚪M所博士生李宏博、奧胡斯大學Guillaume P. Ramstein教授，康奈爾大學Edward S. Buckler教授、蘇黎世大學Thomas St?dler教授、英國自然博物館Sandra Knapp研究員、基因組所張春芝研究員、周永鋒研究員、周紹群研究員、張新巖研究員、愛丁堡皇家植物園Tiina S?rkinen研究員、馬克斯·普朗克生物研究所博士研究生鮑志貴、中國科學院植物研究所周姚研究員、北京大學現(xiàn)代農學院宋寶興研究員、慕尼黑工業(yè)大學Edeline Gagnon及中山大學張雨副教授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(yè)科學院、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。

 

　　專家點評：

 

　　中國科學院院士李家洋（崖州灣實驗室主任、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員）點評說“黃三文團隊這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用”。

 

　　中國科學院院士韓斌 （中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心主任）說：黃三文團隊能夠敏銳的捕捉到并完成世界最前沿最挑戰(zhàn)性的工作在這次最新的研究中，他們創(chuàng)新性地應用了整個茄科的比較基因組學與進化生物學來指導馬鈴薯育種，思路新穎，引領了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對我國種業(yè)技術創(chuàng)新具有重要意義。“

 

　　中國科學院院士錢前（中國農業(yè)科學院作物科學研究所研究員）說”優(yōu)薯計劃不僅理論創(chuàng)新，面臨更多挑戰(zhàn)，黃三文團隊經過多年攻關，終于做出來了，有望在短期內通過基因組設計創(chuàng)建更多高產優(yōu)質雜交馬鈴薯。“

 

　　中國科學院院士種康（中國科學院植物研究所研究員）點評說”黃三文團隊的這項研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預示著作物育種進入一個新的時代，即育種家們不能僅僅關注自己的“一畝三分地”，更需要從一個更大的進化維度思考育種的新策略。“

 

　　中國科學院院士金力（復旦大學校長）點評說”黃三文團隊在Cell發(fā)表的這項研究與上周的Science?？ㄟ^對240種哺乳動物基因組的進化約束研究，兩者有異曲同工之妙。“

 

　　中國農業(yè)大學教授賴錦盛（國家玉米改良中心主任）說”黃三文團隊的研究終于找到了反直覺篩選的遺傳學基礎，開發(fā)了全基因組預測新模型將其應用到雜交馬鈴薯育種的早期決策，標志著我國馬鈴薯育種絕對達到國際前沿。“

 

　　明尼蘇達大學的教授彼得·莫雷爾點評說”優(yōu)薯計劃是最雄心勃勃的計劃，可能是我聽說過的有魄力的項目之一。黃三文團隊設計實驗并有效鑒定出有害的遺傳變異，進而達到能夠長期不斷改良產量等性狀。“