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    黃三文團隊解析馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎

    2019-01-17 09:55 | 作者: BioArt植物 | 標簽: 黃三文

    馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物。與其它谷物類糧食作物不同,馬鈴薯是依靠薯塊繁殖的同源四倍體物種。隱性有害等位基因隱藏在高度雜合的四倍體基因組中,使得優良等位基因很難聚合在一起,這是導致馬鈴薯育種周期長的主要原因。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植,如美國的 Russet Burbank(1902年育成)和荷蘭的 Bintje(1904年育成)。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的,至今已經種植了近60年。馬鈴薯產業面臨的另外一個挑戰是薯塊繁殖,存在繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等問題。
     
    為了徹底打破產業發展中的障礙,在農業農村部和深圳市的支持下,中國農業科學院農業基因組研究所黃三文研究員聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”,即用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產業的綠色革命,用二倍體替代四倍體,并用雜交種子替代薯塊,對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創新。該項目被中國農業科學院列為“重大產出科研選題”之一。
     
    2019年1月14日,黃三文研究員團隊在 Nature Genetics 在線發表了題為The genetic basis of inbreeding depression in potato 的研究論文,解析了馬鈴薯自交衰退遺傳機制,這是優薯計劃實施以來取得的重大理論突破。
     
     
     
    自然界中70%的馬鈴薯種質資源為二倍體,其豐富的遺傳變異為“優薯計劃”的實施提供了基礎。但是,自交不親和與自交衰退限制了自交系的培育。在之前的研究中,黃三文團隊通過基因組編輯的方法克服了自交不親和的問題(Ye et al., Nature Plants, 2018 DOI: 10.1038/s41477-018-0218-6),掃清了“優薯計劃”的第一道障礙。但是,作為長期無性繁殖的異交作物,馬鈴薯具有嚴重的自交衰退,主要表現在生活力下降、育性變差、產量降低等。
     
    在這項最新的研究中,研究人員重點解析了馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎。有害突變是導致自交衰退的主要原因。研究人員通過對151份二倍體馬鈴薯進行重測序,鑒定了全基因組范圍內共344,831個有害突變。這些有害突變在近著絲粒區域富集,因此很難通過遺傳重組將它們全部清除。進一步分析發現,任意兩份二倍體材料之間相同的有害突變僅為11%,說明馬鈴薯中的有害突變具有品系特異性,因此,可以通過精心設計的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態,獲得具有雜種優勢的F1雜交種。
     
    為了鑒定這些有害突變的遺傳效應,研究人員構建了3個自交群體,并開發了一套不依賴于親本的基因分型方法?;谠摲椒?,在三個群體中鑒定了15個極端偏分離的區域,暗示這些區域含有大效應的有害突變。結合表型分析,該研究鑒定了5個純合致死位點以及4個影響長勢的位點。研究人員對其中的一個致死突變ar1 進行了圖位克隆和功能驗證,發現它控制胚的發育。等位基因頻率分析發現,ar1 在馬鈴薯群體中是一個稀有突變。有意思的是,這些大效應的有害突變主要位于重組率比較高的區域,說明可以通過遺傳重組將它們有效清除。
     
     1 三個自交群體全基因組范圍內的偏分離及自交衰退相關表型
    a-c:三個自交群體的偏分離情況。紅色表示合子偏分離,藍色表示配子偏分離。黑色曲線表示重組率的高低。d、f、h、j和l表示正常植株,e、g、i、k、m和n分別表示對應的隱性突變表型根發育畸形、白化苗、葉緣黃化、葉片褪綠、多分枝和過度營養生長。
     
    本研究為二倍體馬鈴薯分子設計育種提供了理論基礎,也為解析其它無性繁殖作物的自交衰退提供了借鑒。
     
    該論文的第一作者為張春芝博士,云南師范大學博士生王培和基因組所碩士生唐蝶為本文的共同第一作者,通訊作者為黃三文研究員。本研究由農業農村部、中國農業科學院“重大產出科研選題”,中國農科院科技創新工程、國家自然科學基金委、云南省高端人才以及深圳市配套經費的資助。
     
    黃三文現為中國農業科學院農業基因組研究所研究員、所長,國家農業基因組科技創新聯盟理事長。黃三文研究員主要致力于構建蔬菜和馬鈴薯全基因組設計育種的理論和方法體系,是國際蔬菜基因組研究領域的奠基人之一,擔任國際黃瓜基因組計劃的首席科學家和國際茄科基因組研究聯盟的共同主席。組織和參與組織了黃瓜、馬鈴薯、番茄等重要作物的基因組測序,奠定了我國在這個領域的優勢地位(Nature Genetics 2009, 2011, 2013; Nature 2011, 2012)。系統收集和分析了3000多份黃瓜品系和600多份番茄品系,構建了黃瓜和番茄的變異組圖譜,闡明了這兩種作物馴化和分化的遺傳基礎,為種質資源的育種利用提供了理論框架(Nature Genetics 2013, 2014)。利用組學工具,揭示了黃瓜苦味生物合成和調控的分子機制,闡明了人工選擇對番茄果實代謝的影響并提出了番茄風味改良路線圖,為培育優質蔬菜品種提供了分子育種工具(Science 2014, 2017; Cell 2018)。共發表學術論文100余篇,被SCI他引6000余次,得到了Nature Review Genetics、Faculty of 1000 等期刊和同行專家的高度評價,在植物基因組學和園藝學領域具有廣泛的國際影響。2012年擔任國家“973”項目首席科學家,獲得國家杰出青年科學基金資助,入選“萬人計劃”。2016年獲得“周光召基金會”基礎科學獎。2018年獲得何梁何利基金科學與技術進步獎“生命科學獎”。主持完成的“黃瓜基因組和重要農藝性狀基因研究”項目獲2018年國家自然科學獎二等獎。擔任 Molecular Plant 和 JIPB 等學術期刊的編委。
     
    論文鏈接:
    https://www.nature.com/articles/s41588-018-0319-1

    來源:BioArt植物

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