和水稻、小麥、玉米不同，作為營養(yǎng)全面的世界第三大主糧作物，百余年來馬鈴薯并不是靠種子種植的，而是依靠地下的塊莖，即種薯進(jìn)行無性繁殖。

“馬鈴薯普通栽培種是同源四倍體，這使得馬鈴薯的遺傳育種十分困難，品種改良周期漫長。”中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡稱基因組所）所長黃三文告訴《中國科學(xué)報》。

9月28日，《自然—遺傳》在線發(fā)表了黃三文團(tuán)隊(duì)首次測序完成的雜合二倍體馬鈴薯基因組。該研究成果不僅提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組、最全面的馬鈴薯單體型比較分析，而且為解決馬鈴薯自交衰退問題、設(shè)計馬鈴薯二倍體雜交種子奠定了基礎(chǔ)。

9年破解90%

目前，優(yōu)質(zhì)馬鈴薯新品種并不多，市場上售賣的馬鈴薯和幾十年前人們吃的是同樣的品種。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。黃三文說，馬鈴薯普通栽培種雜交后代性狀分離嚴(yán)重，導(dǎo)致其育種研究困難。解決方法就是用雜交種子代替種薯。

“要實(shí)現(xiàn)用雜交種子種植馬鈴薯，就必須破解馬鈴薯單倍體、二倍體和四倍體基因組?！秉S三文說，目前單倍體和二倍體基因組都已經(jīng)繪制完成。

基因組所研究員張春芝告訴《中國科學(xué)報》，近年來，國外多家科研機(jī)構(gòu)和育種公司已經(jīng)開展了二倍體馬鈴薯雜交育種計劃?！暗?，他們都遇到一個問題：培育的自交系純度不高，導(dǎo)致雜交種出現(xiàn)性狀分離，影響了商品性。這說明通過傳統(tǒng)育種方式很難培育高純合度的自交系，因此需要加強(qiáng)對馬鈴薯基因組的理解，開展馬鈴薯基因組設(shè)計育種?！睆埓褐フf。

對馬鈴薯基因組的研究始于2005年。由14個國家29個單位的97名研究人員組成的國際馬鈴薯基因組測序聯(lián)盟（以下簡稱測序聯(lián)盟）對一種優(yōu)良的馬鈴薯育種材料二倍體RH的基因組圖譜發(fā)起了科研攻關(guān)。然而，由于二倍體馬鈴薯基因組存在高度雜合、物理圖譜質(zhì)量不高、測序成本高等難以克服的困難，項(xiàng)目舉步維艱，測序聯(lián)盟瀕臨解散。

這時，黃三文帶領(lǐng)的中方團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了一套新的策略：以單倍體馬鈴薯DM為材料來降低基因組分析的復(fù)雜度，并采用快捷的全基因組鳥槍法策略和低成本的新一代DNA測序技術(shù)，大大加快了整個項(xiàng)目的進(jìn)程，于2009年完成了單倍體馬鈴薯基因組的測序、拼接和注釋工作。2011年，《自然》以封面文章的形式發(fā)布了第一個單倍體馬鈴薯DM的參考基因組。在那篇文章中，測序聯(lián)盟也分析了僅組裝10%的二倍體馬鈴薯RH基因組序列。

近10年過去，黃三文團(tuán)隊(duì)使用同一個馬鈴薯材料RH，完成了當(dāng)年測序聯(lián)盟沒有完成的工作?！斑@對2011年那篇文章算是一個圓滿回應(yīng)?！闭撐牡谝蛔髡?、基因組所的周倩告訴《中國科學(xué)報》。

1+1遠(yuǎn)大于2

馬鈴薯是高度雜合的作物，二倍體馬鈴薯雜合度高達(dá)2%，兩套染色體之間存在大量差異。

“二倍體基因組的工作量比單倍體多了不止兩倍，因?yàn)椴粌H是多了一套完整且不同的基因組，而且兩套基因組之間會互相干擾，影響測序結(jié)果的準(zhǔn)確性?！敝袊r(nóng)業(yè)大學(xué)教授賴錦盛接受《中國科學(xué)報》采訪時說，馬鈴薯二倍體基因組測序成功，將為破解馬鈴薯四倍體基因組、加速馬鈴薯育種奠定基礎(chǔ)。

“科學(xué)家組裝基因組的過程，類似拼圖。”周倩說，利用常規(guī)測序方法，一個基因組可能被打碎成數(shù)百萬、數(shù)千萬的碎片，而組裝算法就是要找到碎片與碎片之間的連接點(diǎn)，從而將碎片拼接成完整的基因組序列。

在植物基因組內(nèi)部存在著大量極相似的“重復(fù)序列”片段。這些片段就相當(dāng)于拼圖時形狀、顏色非常相近的碎片，組裝算法也很難確定它們真正的位置，因而很容易引起錯誤的組裝結(jié)果。

在高雜合基因組中，來自父方和母方的序列相似度接近99%，差異點(diǎn)僅有1%~2%，組裝算法很有可能將來自父方的碎片與來自母方的碎片連接在一起，形成錯誤的組裝結(jié)果，甚至導(dǎo)致無法完成整個拼圖，即獲得完整的全基因組序列。

“以上原因?qū)е聵?gòu)建高質(zhì)量的馬鈴薯雜合基因組十分困難。”周倩說。

距離破譯第一個馬鈴薯基因組已過去將近10年，基因組測序技術(shù)和組裝算法都在不斷升級?！凹夹g(shù)的進(jìn)步和馬鈴薯科研成果的積累，綜合在一起，使得他們有機(jī)會破解這個重要的二倍體馬鈴薯基因組。”賴錦盛說。

挑戰(zhàn)：消除有害突變

該研究提出了高準(zhǔn)確率HiFi read與遺傳群體測序、HiC測序相結(jié)合的技術(shù)路線，克服了“重復(fù)序列”和“高雜合”這兩個障礙，成功組裝了染色體級別的單體型，為復(fù)雜基因組的解析提供了借鑒。

“在完整基因組序列的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了序列比較、基因表達(dá)、有害突變預(yù)測、重點(diǎn)基因的挖掘等分析?！敝苜徽f。

賴錦盛介紹：“有性繁殖過程能對變異進(jìn)行選擇。有害突變過多的后代可能無法存活，或者在性狀上表現(xiàn)比較差。這些后代被淘汰的時候，有害突變也就被淘汰掉了。”

“大部分二倍體馬鈴薯自交不親和，一般通過薯塊進(jìn)行無性繁殖，這就導(dǎo)致基因組重組事件少，基因信息不流動，自然突變產(chǎn)生的有害突變就會積累下來，從而使得基因組內(nèi)有害突變的水平較高。我們在RH二倍體馬鈴薯中檢測到了22134個有害突變?！敝苜徽f，這些有害突變散布在兩套基因組中，與其他類型的變異呈馬賽克式分布，并且有害突變還有可能與優(yōu)良基因緊密連鎖，很難通過傳統(tǒng)雜交的方法徹底淘汰有害突變。

張春芝介紹，為避免這些有害突變，只能通過培育不同遺傳背景的自交系，然后將不同的自交系進(jìn)行雜交，使有害突變保持在雜合狀態(tài)，掩蓋其不良效應(yīng)，這樣才不會對雜交種的表型產(chǎn)生影響。

賴錦盛認(rèn)為，找到這些有害突變的位置，一方面為一定程度上消除有害突變提供了條件；另一方面也說明，由于有害突變分布廣泛，要徹底而系統(tǒng)地消除有害突變難度非常大，面臨著很大的挑戰(zhàn)。

近年來，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和深圳市的支持下，黃三文聯(lián)合多家單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，即用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)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(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。

“馬鈴薯二倍體基因組的解讀，讓‘優(yōu)薯計劃’的實(shí)現(xiàn)又向前邁進(jìn)了一步?！辟囧\盛說。

來源：《中國科學(xué)報》