中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究团队运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用杂交种子繁殖替代薯块繁殖，实现了“优薯计划”实施以来的里程碑式突破。2021年6月24日，在国际知名学术期刊Cell（IF=41.582）在线发表了题为“Genome design of hybrid potato”的文章，介绍了如何选择育种亲本材料、淘汰有害突变、打破有害突变和优良等位基因的连锁以及选择杂交亲本，培育出了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品系“优薯1号”。安诺优达为本次研究提供了pacBio三代DNA建库测序服务。

文章名称：Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）
发表时间：2021年6月24日
发表杂志：Cell
研究物种：马铃薯（Solanum tuberosum L.）
影响因子：41.582

研究背景

马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为重要的块茎作物之一，是全球约13亿人的主食。但与其他谷物类粮食作物相比，马铃薯的遗传增益一直很小，其四倍体遗传的复杂性阻碍了栽培马铃薯遗传改良，无性繁殖制约了马铃薯产业发展。除此之外，马铃薯无性繁殖器官为块茎，体积大，储运不方便；种薯为鲜活器官，易染病虫害，需脱毒，人力物力耗费巨大。与传统繁育方式相比，种子便于运输且种植用量少（2g/亩），不易传播病虫害。因此马铃薯杂交种子繁殖技术对提高马铃薯育种速度和繁殖效率，以及增强农民和消费者的广泛利益具有重要意义。

研究难点及解决办法

二倍体马铃薯是异交作物，存在自交不亲和现象（由高多态性的S-RNase等位基因控制），因此在自花授粉后不能形成种子。马铃薯的隐性有害基因含量多，自交后隐性基因纯合，进而产生不良性状，自交衰退现象明显。因此获得高质量的马铃薯种子首先需要通过基因编辑、筛选突变体或者导入亲和基因Sli 等方法打破自交不亲和，然后淘汰有害突变并打破有害突变和优良基因的连锁，最终获得优良的杂交种子。

育种设计思路

Step1：根据基因组分析选择育种起始材料，打破自交不亲和；
Step2：通过对S1群体的遗传分析，确定大效应有害等位基因（黑色）和有益等位基因（绿色）的位置；
Step3：培育含优良等位基因的自交系；
Step4：具有不同遗传背景的自交系杂交，得到强壮的F1杂交种。


图1 马铃薯杂交育种基因组设计原理图

研究结果

材料选择

根据基因组筛选有害突变少的品系。研究显示，杂合snp数目与杂合有害突变呈正相关，统计杂合snp数目结果显示，pG6359和E86-69的有害突变相对较少，RH和C10-20含有相对较多的有害突变（图2-A）；每个无性系的小S1群体分析显示，RH和C10-20的SDs比pG6359和E86-69的SDs多（图2-B），增加了培育纯自交系的难度。综上所述，最后选择pG6359和E86-69作为原始材料培育高纯合自交系。


图2 马铃薯杂交育种原材料的选择

基于表型和基因组选择高纯合自交系

在马铃薯（二倍体）中，有害突变以镶嵌的形式分布在两套基因组上面，仅基于表型的选择，有时不可能在相斥相识别和清除紧密连锁的有害突变（图3）（若每个同源染色体上各有一个突变基因和一个野生型基因，则称为相斥相（repulsion phase，(Ab/aB））。因此，需要进一步通过基因组分析对高纯合度自交系进行筛选（图4）。


图3 鉴定控制雄性植株生育能力的大效应有害突变


图4 在相斥相打破两种有害突变的紧密联系

下面以pG6359为例介绍如何通过自交获得高纯合度自交系（图5）：

Step1：选择携带4个有益等位基因的86个S1个体进行自交（Ss11为自交亲和性，YL1为正常叶片，FBA1为育性，Y为黄色果肉）。
Step2：评估9,000株S2植株的性能和纯合度，基于表型（生长势、坐果率和块茎相关性状）筛选出116株S2个体，收集具有较高纯合度和所需性状个体的种子。
Step3：淘汰基因组纯合度为70%的S2植株，播种其余79株。将萌发率较高的44个S3（约8,000株）移栽，进行进一步研究。
Step4：根据同样的选择过程，这个种群继续自我繁殖了两代，获得了多个携带有利等位基因的pG6359高纯合自交系。
Step5：同理获得E86-69高纯合自交系。


图5 利用杂合子无性系pG6359构建自交系

F1杂交种的产生及杂种优势的遗传基础

pG6359自交系S5植株的平均纯合度提高到97.54%（91.79%-99.94%），E86-69自交系平均纯合度提高到91.85%。二者杂交种F1在温室中具有较强的生长势和产量（图6-A和图6-B），与亲本相比，F1的产量至少提高了31%（图6-C）。云南地区种植，F1平均产量是温室条件下的2倍（图6-D），块茎中类胡萝卜素（59.63-72.06 mg/kg干重）和干物质（23.10%-26.02%）含量较高。


图6 以自交系为基础的F1的杂种优势

对F1杂种H1的亲本A6-26（纯合度98.16%）和E4-63（纯合度98.52%）进行基因组组装（pacbio HiFi reads），通过比较DM（马铃薯参考基因组）与二者遗传变异结果显示，A6-26和E4-63共有的SNp、indels和结构变异分别为11.55%、11.35%和16.91%，表明亲本间90%的变异是杂合的；进一步预测A6-26和E4-63的有害替换重叠率为8.36%，其中30%还表现出差异表达，因此大部分有害替换在F1杂交后代中将被掩盖，在基因互补的层面上一定程度解释了杂种F1的杂种优势。

小结

本文运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，实现了马铃薯的二倍体杂交种子繁殖，并培育出了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品系“优薯1号”。但是低基因组杂合度和低有害突变是选择起始材料的两个标准，不能保证高纯合度自交系的成功发育。一些基因组设计的高代自交系虽然没有大效应的有害突变，但可能积累了过多的小效应的有害突变，导致生长活力低下和雄性不育。因此，育种工作者在实际育种中应选择多种起始材料。此外，未来还需要通过改进算法进一步提高有害突变预测的准确性。

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参考文献：

Zhang C, Yang Z, Tang D, et al. Genome design of hybrid potato [published online ahead of print, 2021 Jun 17]. Cell. 2021;S0092-8674(21)00707-8. doi:10.1016/j.cell.2021.06.006