《自然》雜志同時(shí)在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下稱“基因組所”）黃三文研究員團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)重要研究成果，這些突破為實(shí)現(xiàn)泛基因組在馬鈴薯、番茄育種的應(yīng)用提供了新的方案。

泛基因組（Pan-genome）是一個(gè)物種內(nèi)所有基因組信息的總和。泛基因組相比單一參考基因組，包括了更多的遺傳多樣性，因此可以揭示更全面的遺傳變異信息。此前的研究已經(jīng)構(gòu)建了多種作物的泛基因組圖譜，但如何充分利用泛基因組的優(yōu)勢(shì)解決重要的生物學(xué)問(wèn)題、促進(jìn)植物遺傳育種研究，仍是科學(xué)界面臨的難題。

構(gòu)建二倍體馬鈴薯泛基因組圖譜

在其中一項(xiàng)研究中，黃三文團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高質(zhì)量的二倍體馬鈴薯泛基因組圖譜。

與多數(shù)作物不同的是，作為一種四倍體作物，目前的馬鈴薯品種是利用薯塊（馬鈴薯的塊莖）進(jìn)行無(wú)性繁殖的。無(wú)性繁殖的方式使得馬鈴薯的性狀衰退，而四倍體遺傳的復(fù)雜性又造成馬鈴薯品種的改良十分困難。此外，四倍體的種植需要使用薯塊，相比于種子，運(yùn)輸難度要大得多，同時(shí)更容易遭受病蟲(chóng)害。

面對(duì)這些危機(jī)，一個(gè)想法是從根源上解決問(wèn)題：改變馬鈴薯的繁殖方式。黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，即用二倍體替代四倍體，并用雜交種子替代薯塊，徹底變革馬鈴薯的育種和繁殖方式。

去年，黃三文團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)***性突破就已經(jīng)登上了《細(xì)胞》雜志。他們利用二倍體替代四倍體，培育出了借助種子繁殖的***代雜交馬鈴薯品系。

▲黃三文團(tuán)隊(duì)已經(jīng)培育出二倍體馬鈴薯雜交種

二倍體馬鈴薯的可行性已經(jīng)得到證實(shí)，黃三文團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)就是充分利用二倍體資源中的優(yōu)異性狀加速雜交馬鈴薯育種，并且探究無(wú)性繁殖方式對(duì)馬鈴薯基因組的影響，以及薯塊形成的遺傳演化機(jī)制。為此，研究團(tuán)隊(duì)在***新研究中構(gòu)建了高質(zhì)量的二倍體馬鈴薯泛基因組圖譜。

通過(guò)對(duì)比分析二倍體馬鈴薯（包括野生種與農(nóng)家品種）與不結(jié)薯的馬鈴薯姊妹類群的基因組，研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)。

馬鈴薯的薯塊是如何長(zhǎng)出來(lái)的？對(duì)于這個(gè)重要的生物學(xué)問(wèn)題，這項(xiàng)研究為我們揭示了關(guān)鍵遺傳因素。通過(guò)馬鈴薯與姊妹類群的多組學(xué)比較分析，研究人員鑒定出一個(gè)可能在薯塊發(fā)育的起始時(shí)期發(fā)揮關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子。這個(gè)薯塊身份基因（IT1）與結(jié)薯移動(dòng)信號(hào)因子直接互作，正常情況下可以指導(dǎo)形成薯塊；但在相應(yīng)位置出現(xiàn)突變時(shí)，植株的匍匐莖頂端無(wú)法正常膨大形成薯塊。

▲左圖為不結(jié)薯的馬鈴薯姊妹類群Etuberosum，右圖為結(jié)薯材料馬鈴薯。Etuberosum的地下分枝向上生長(zhǎng)發(fā)育成新的植株；而馬鈴薯的匍匐莖向下生長(zhǎng)，并且在匍匐莖頂端膨大形成薯塊。

這項(xiàng)研究還對(duì)馬鈴薯的抗病基因進(jìn)行了分析。野生馬鈴薯的抗病基因，可以作為現(xiàn)代品種抗性改良的重要資源。相比于姊妹類群，馬鈴薯中的抗病基因拷貝數(shù)更多。由于無(wú)性繁殖的馬鈴薯更容易受到病原菌侵襲，因此作者推測(cè)，抗病基因數(shù)量的增多，是為了應(yīng)對(duì)病原菌感染所演化出的策略。

同時(shí)，這項(xiàng)研究鑒定出超過(guò)56萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)變異，并且***構(gòu)建了栽培和近緣野生馬鈴薯的***段倒位圖譜。

▲馬鈴薯倒位圖譜

“馬鈴薯存在大量的結(jié)構(gòu)變異，并且由于長(zhǎng)期無(wú)性繁殖策略，這些結(jié)構(gòu)變異很難通過(guò)有性繁殖被清除出去，”這篇論文的共同***作者，基因組所博士生唐蝶介紹道，“我們對(duì)基因組中的倒位進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定，并且結(jié)合3號(hào)染色體的例子發(fā)現(xiàn)倒位會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的連鎖累贅現(xiàn)象。”

在馬鈴薯3號(hào)染色體上，一處***段倒位事件與控制塊莖中類胡蘿卜素積累基因緊密連鎖。因此，在篩選***薯塊的個(gè)體時(shí)，也會(huì)伴隨著其他預(yù)期之外的性狀?！斑@個(gè)案例提示育種學(xué)家，在進(jìn)行回交育種時(shí)需要謹(jǐn)慎地選擇合適的供體和受體親本，避免倒位造成的連鎖現(xiàn)象?！?唐蝶表示。

審稿人評(píng)價(jià)，該研究解析了馬鈴薯和姊妹類群之間的演化關(guān)系，并且對(duì)塊莖演化提出見(jiàn)解，更重要的是發(fā)現(xiàn)了與農(nóng)藝性狀緊密關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變異。這項(xiàng)研究展示了基于廣泛選材的泛基因組學(xué)的力量，能為其他作物泛基因組研究提供參考方法。

找回番茄“丟失的遺傳力”

而在同期發(fā)表的另一項(xiàng)研究中，黃三文團(tuán)隊(duì)利用泛基因組研究解決番茄的“遺傳力丟失”問(wèn)題，為解析生物復(fù)雜性狀的遺傳機(jī)制和番茄育種提供了新思路。

所謂遺傳力丟失，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是很多性狀背后的遺傳因素仍然未知。如果能找回這些“丟失的遺傳力”，將有助于理解復(fù)雜性狀的遺傳機(jī)制，為相關(guān)的育種工作提供理論支持。

在這項(xiàng)研究中，黃三文團(tuán)隊(duì)利用一項(xiàng)圖泛基因組技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異（SV）進(jìn)行了檢測(cè)，從而全面評(píng)估遺傳變異對(duì)遺傳力的具體影響。利用番茄的轉(zhuǎn)錄組及代謝組數(shù)據(jù)，研究人員從不同的角度找回了“丟失的遺傳力”。

▲番茄圖泛基因組研究流程。研究人員利用高準(zhǔn)確率的三代測(cè)序技術(shù)組裝了骨架基因組SL5.0和31份具有代表性的材料，鑒定出相關(guān)的遺傳變異，再整合已公布的結(jié)構(gòu)變異和短片段測(cè)序檢測(cè)的變異，***終構(gòu)建了來(lái)自838個(gè)番茄基因組的圖泛基因組并用于后續(xù)研究。

SV是***主要的遺傳力來(lái)源。利用單一參考基因組對(duì)SV的檢測(cè)能力有限，而利用圖泛基因組的遺傳變異，可以將估計(jì)的遺傳力提高24%。

此外，研究人員嘗試?yán)脠D泛基因組的遺傳變異提高全基因組分析（GWAS）的檢測(cè)能力，并分別解決了等位基因異質(zhì)性和位點(diǎn)異質(zhì)性導(dǎo)致的GWAS檢測(cè)能力下降的問(wèn)題，從而進(jìn)一步提升了遺傳力。

這些重新找回的遺傳力，可以幫助育種學(xué)家培育出具有更優(yōu)良性狀的番茄品種。近年來(lái)，番茄的風(fēng)味正在逐漸減弱，因此有不少科學(xué)家嘗試恢復(fù)番茄的風(fēng)味。

番茄風(fēng)味是復(fù)雜性狀，受多基因控制。“在育種中，我們可以利用基因組選擇對(duì)風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。我們找回的遺傳力，可以幫助提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，從而提高育種效率?！痹撜撐牡墓餐?**作者，基因組所副研究員周姚介紹。

“以影響番茄產(chǎn)量和糖度的重要代謝物可溶性固形物為例，我們共鑒定出了2個(gè)潛在的與其含量高度相關(guān)的SV。利用這兩個(gè)SV作為分子標(biāo)記，我們可以選擇出高可溶性固形物含量的個(gè)體，” 周姚表示，此外，對(duì)于大量微效的基因，可以通過(guò)基因組選擇進(jìn)行選擇。遺傳力越高，基因組選擇準(zhǔn)確率也就越高。因此，利用SV進(jìn)行基因組選擇，可以取得優(yōu)于傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率。

論文評(píng)審專家認(rèn)為，這項(xiàng)工作是對(duì)圖泛基因組概念***全面的分析。 “圖泛基因組將可能成為基因組分析和作物基因組育種的標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)意義上，這篇論文是奠基性的（foundational）”。

黃三文研究員為兩篇論文的通訊作者，基因組所博士生唐蝶、博士后賈玉鑫、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所助理研究員張金喆和基因組所與荷蘭瓦赫寧根大***合培養(yǎng)博士生李宏博為馬鈴薯文章的共同***作者?；蚪M所副研究員周姚，博士生張智洋和科研助理鮑志貴為番茄文章的共同***作者?；蚪M所和國(guó)內(nèi)外多家單位科研人員也為該研究做出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)家基金委、科技部、廣東省、深圳市和中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程資助了這兩項(xiàng)研究。

DNA提取是分析農(nóng)作物分子生物學(xué)性狀的重要步驟，現(xiàn)階段，常用的DNA提取技術(shù)有磁珠法和離心柱法，使用磁珠進(jìn)行農(nóng)作物的DNA提取，可以實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化的操作。由于磁珠對(duì)核酸的吸附靈敏度高，只需要少量的葉片或其他組織即可得到高得率、高純度的DNA。吉恩特生物采用自主研發(fā)生產(chǎn)的納米生物磁珠和磁珠法DNA提取試劑盒，可以從各種類型的農(nóng)作物中提取高質(zhì)量的核酸，配合核酸提取儀，可以達(dá)到快速自動(dòng)化提取的目的。