▎药明康德内容团队编辑
在世界各地的饮食中，马铃薯和番茄都占据着重要地位。但你在吞下这些食材时可能不会想到，这些作物的育种都面临着严峻的挑战。对科学家来说，在这两种作物的问题背后，有着类似的软肋：对作物遗传学认识的不足限制了马铃薯与番茄育种的新突破。
今日，《自然》杂志同时在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下称“基因组所”）黄三文研究员团队的两项重要研究成果，这些突破为实现泛基因组在马铃薯、番茄育种的应用提供了新的方案。
泛基因组（Pan-genome）是一个物种内所有基因组信息的总和。泛基因组相比单一参考基因组，包括了更多的遗传多样性，因此可以揭示更全面的遗传变异信息。此前的研究已经构建了多种作物的泛基因组图谱，但如何充分利用泛基因组的优势解决重要的生物学问题、促进植物遗传育种研究，仍是科学界面临的难题。
构建二倍体马铃薯泛基因组图谱
在其中一项研究中，黄三文团队构建了高质量的二倍体马铃薯泛基因组图谱。
与多数作物不同的是，作为一种四倍体作物，目前的马铃薯品种是利用薯块（马铃薯的块茎）进行无性繁殖的。无性繁殖的方式使得马铃薯的性状衰退，而四倍体遗传的复杂性又造成马铃薯品种的改良十分困难。此外，四倍体的种植需要使用薯块，相比于种子，运输难度要大得多，同时更容易遭受病虫害。
面对这些危机，一个想法是从根源上解决问题：改变马铃薯的繁殖方式。黄三文团队联合国内外单位发起了“优薯计划”，即用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，彻底变革马铃薯的育种和繁殖方式。
去年，黄三文团队的一项革命性突破就已经登上了《细胞》杂志。他们利用二倍体替代四倍体，培育出了借助种子繁殖的第一代杂交马铃薯品系。
▲黄三文团队已经培育出二倍体马铃薯杂交种（图片来源：参考资料[3]）
二倍体马铃薯的可行性已经得到证实，黄三文团队的下一个目标就是充分利用二倍体资源中的优异性状加速杂交马铃薯育种，并且探究无性繁殖方式对马铃薯基因组的影响，以及薯块形成的遗传演化机制。为此，研究团队在最新研究中构建了高质量的二倍体马铃薯泛基因组图谱。
通过对比分析二倍体马铃薯（包括野生种与农家品种）与不结薯的马铃薯姊妹类群的基因组，研究团队取得了一系列重要发现。
马铃薯的薯块是如何长出来的？对于这个重要的生物学问题，这项研究为我们揭示了关键遗传因素。通过马铃薯与姊妹类群的多组学比较分析，研究人员鉴定出一个可能在薯块发育的起始时期发挥关键作用的转录因子。这个薯块身份基因（IT1）与结薯移动信号因子直接互作，正常情况下可以指导形成薯块；但在相应位置出现突变时，植株的匍匐茎顶端无法正常膨大形成薯块。
▲左图为不结薯的马铃薯姊妹类群Etuberosum，右图为结薯材料马铃薯。Etuberosum的地下分枝向上生长发育成新的植株；而马铃薯的匍匐茎向下生长，并且在匍匐茎顶端膨大形成薯块。（图片来源：黄三文团队）
这项研究还对马铃薯的抗病基因进行了分析。野生马铃薯的抗病基因，可以作为现代品种抗性改良的重要资源。相比于姊妹类群，马铃薯中的抗病基因拷贝数更多。由于无性繁殖的马铃薯更容易受到病原菌侵袭，因此作者推测，抗病基因数量的增多，是为了应对病原菌感染所演化出的策略。
同时，这项研究鉴定出超过56万个高质量的结构变异，并且首次构建了栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱。
▲马铃薯倒位图谱（图片来源：参考资料[1]）
“马铃薯存在大量的结构变异，并且由于长期无性繁殖策略，这些结构变异很难通过有性繁殖被清除出去，”这篇论文的共同第一作者，基因组所博士生唐蝶介绍道，“我们对基因组中的倒位进行了系统鉴定，并且结合3号染色体的例子发现倒位会带来严重的连锁累赘现象。”
在马铃薯3号染色体上，一处大片段倒位事件与控制块茎中类胡萝卜素积累基因紧密连锁。因此，在筛选黄色薯块的个体时，也会伴随着其他预期之外的性状。“这个案例提示育种学家，在进行回交育种时需要谨慎地选择合适的供体和受体亲本，避免倒位造成的连锁现象。” 唐蝶表示。
审稿人评价，该研究解析了马铃薯和姊妹类群之间的演化关系，并且对块茎演化提出见解，更重要的是发现了与农艺性状紧密关联的结构变异。这项研究展示了基于广泛选材的泛基因组学的力量，能为其他作物泛基因组研究提供参考方法。
找回番茄“丢失的遗传力”
而在同期发表的另一项研究中，黄三文团队利用泛基因组研究解决番茄的“遗传力丢失”问题，为解析生物复杂性状的遗传机制和番茄育种提供了新思路。
所谓遗传力丢失，简单地说，就是很多性状背后的遗传因素仍然未知。如果能找回这些“丢失的遗传力”，将有助于理解复杂性状的遗传机制，为相关的育种工作提供理论支持。
在这项研究中，黄三文团队利用一项图泛基因组技术对复杂结构变异（SV）进行了检测，从而全面评估遗传变异对遗传力的具体影响。利用番茄的转录组及代谢组数据，研究人员从不同的角度找回了“丢失的遗传力”。
▲番茄图泛基因组研究流程。研究人员利用高准确率的三代测序技术组装了骨架基因组SL5.0和31份具有代表性的材料，鉴定出相关的遗传变异，再整合已公布的结构变异和短片段测序检测的变异，最终构建了来自838个番茄基因组的图泛基因组并用于后续研究。（图片来源：参考资料[2]）
SV是最主要的遗传力来源。利用单一参考基因组对SV的检测能力有限，而利用图泛基因组的遗传变异，可以将估计的遗传力提高24%。
此外，研究人员尝试利用图泛基因组的遗传变异提高全基因组分析（GWAS）的检测能力，并分别解决了等位基因异质性和位点异质性导致的GWAS检测能力下降的问题，从而进一步提升了遗传力。
这些重新找回的遗传力，可以帮助育种学家培育出具有更优良性状的番茄品种。近年来，番茄的风味正在逐渐减弱，因此有不少科学家尝试恢复番茄的风味。
番茄风味是复杂性状，受多基因控制。“在育种中，我们可以利用基因组选择对风味相关物质含量进行预测。我们找回的遗传力，可以帮助提高预测的准确率，从而提高育种效率。”该论文的共同第一作者，基因组所副研究员周姚介绍。
“以影响番茄产量和糖度的重要代谢物可溶性固形物为例，我们共鉴定出了2个潜在的与其含量高度相关的SV。利用这两个SV作为分子标记，我们可以选择出高可溶性固形物含量的个体，” 周姚表示，此外，对于大量微效的基因，可以通过基因组选择进行选择。遗传力越高，基因组选择准确率也就越高。因此，利用SV进行基因组选择，可以取得优于传统方法的准确率。
论文评审专家认为，这项工作是对图泛基因组概念最全面的分析。 “图泛基因组将可能成为基因组分析和作物基因组育种的标准，在这个意义上，这篇论文是奠基性的（foundational）”。
黄三文研究员为两篇论文的通讯作者，基因组所博士生唐蝶、博士后贾玉鑫、中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员张金喆和基因组所与荷兰瓦赫宁根大学联合培养博士生李宏博为马铃薯文章的共同第一作者。基因组所副研究员周姚，博士生张智洋和科研助理鲍志贵为番茄文章的共同第一作者。基因组所和国内外多家单位科研人员也为该研究做出了重要贡献。国家基金委、科技部、广东省、深圳市和中国农科院科技创新工程资助了这两项研究。
参考资料：
[1] Tang, D., Jia, Y., Zhang, J. et al. Genome evolution and diversity of wild and cultivated potatoes. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04822-x
[2] Zhou, Y., Zhang, Z., Bao, Z. et al. Graph pangenome captures missing heritability and empowers tomato breeding. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04808-9
[3] Chunzhi Zhang et al., (2021) Genome design of hybrid potato. Cell. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006
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