記者 李晨

泛基因組是一個(gè)物種內(nèi)所有基因組信息的總和，它比單一參考基因組涵蓋了更多的遺傳多樣性。如何利用作物泛基因組培育下一代良種，是科學(xué)家關(guān)心的課題。

《自然》近日在線發(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（以下簡(jiǎn)稱(chēng)基因組所）所長(zhǎng)黃三文團(tuán)隊(duì)有關(guān)泛基因組的兩項(xiàng)研究成果。

一篇論文中，他們首次獲得了番茄的圖泛基因組，并借此找回了番茄育種中“丟失的遺傳力”，為解析生物復(fù)雜性狀的遺傳機(jī)制提供了新思路。論文評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為，“這項(xiàng)工作是對(duì)圖泛基因組概念最全面的分析”“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”。

另一篇論文中，他們首次解析了二倍體馬鈴薯的泛基因組，研究了茄科茄屬的物種進(jìn)化，破解了馬鈴薯如何結(jié)薯的分子機(jī)制。《自然》同期發(fā)表的觀點(diǎn)文章指出，組裝數(shù)量如此之多的異交和高雜合馬鈴薯高質(zhì)量基因組，是一項(xiàng)非凡的成就。泛基因組全面鑒定了參與重要生物學(xué)過(guò)程的基因，將賦能馬鈴薯育種。

更準(zhǔn)確 更詳盡

“在一個(gè)物種內(nèi)，有些基因是某些個(gè)體所特有的。比如，任意兩個(gè)番茄所含有的基因是不完全相同的，基因不同可能導(dǎo)致口感不同?！闭撐耐ㄓ嵶髡唿S三文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，把一個(gè)物種所有的基因都找到，并按照順序排列，就形成了泛基因組。而圖泛基因組是借助數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)中被稱(chēng)為圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)展示一個(gè)物種所有的基因排列和結(jié)構(gòu)。

論文第一作者、基因組所副研究員周姚告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，泛基因組比單一參考基因組更加準(zhǔn)確和詳盡地代表了整個(gè)物種的遺傳多樣性，借助泛基因組做研究不容易漏掉重要的基因和信息。

此前有很多作物都獲得了泛基因組圖譜，如水稻、玉米、小麥、大麥、棉花、番茄、油菜等。

周姚說(shuō)，他們首先利用高準(zhǔn)確率的三代測(cè)序技術(shù)重新組裝了番茄的骨架基因組，其組裝質(zhì)量在完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性等指標(biāo)上均優(yōu)于之前的版本；隨后選取了31份具有代表性的番茄材料進(jìn)行了組裝，并鑒定出相關(guān)的遺傳變異；在整合已公布的結(jié)構(gòu)變異和短片段測(cè)序信息后，最終構(gòu)建了來(lái)自838個(gè)番茄基因組的圖泛基因組。

法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院研究員Mathilde Causse認(rèn)為，圖泛基因組資源對(duì)番茄遺傳和基因組研究非常重要，促進(jìn)了后續(xù)的基因定位。這篇文章將成為番茄研究領(lǐng)域里的基石。

另一論文的第一作者、基因組所博士生唐蝶告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，為了獲得高質(zhì)量的二倍體馬鈴薯泛基因組，他們挑選了地方栽培種、野生種、近緣野生種等44份具有代表性的二倍體馬鈴薯種質(zhì)進(jìn)行了重測(cè)序和基因注釋?zhuān)罱K完成了第一個(gè)高質(zhì)量的二倍體馬鈴薯泛基因組。

審稿人評(píng)價(jià)說(shuō)，馬鈴薯泛基因組的構(gòu)建和分析結(jié)果令人印象深刻。這項(xiàng)研究展示了基于廣泛選材的“馬鈴薯組”和“類(lèi)馬鈴薯組”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“丟失的遺傳力”

黃三文告訴記者，科學(xué)家用“遺傳力”這個(gè)概念表示一種作物的性狀受遺傳調(diào)控的比例。遺傳力越高，說(shuō)明性狀的決定過(guò)程中遺傳因素占比越大，環(huán)境因素占比越小。

在未來(lái)的作物育種中，基因組選擇技術(shù)將被廣泛應(yīng)用。當(dāng)番茄還是幼苗的時(shí)候，就對(duì)它的基因組進(jìn)行測(cè)序，以此來(lái)預(yù)測(cè)它是否抗病、產(chǎn)量和口味如何等。

然而，現(xiàn)在的預(yù)測(cè)還不是很準(zhǔn)確?！斑@是因?yàn)檎{(diào)控上述復(fù)雜性狀的基因有很多，有些基因的作用明顯，其遺傳力容易被檢測(cè)到；而另一些基因的作用比較微弱，這些基因難以檢測(cè)到的遺傳力被稱(chēng)為‘丟失的遺傳力’?！秉S三文說(shuō)。

長(zhǎng)期從事數(shù)量遺傳學(xué)研究的西湖大學(xué)教授楊劍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“遺傳力丟失”是一個(gè)經(jīng)典的數(shù)量遺傳學(xué)問(wèn)題，即通過(guò)遺傳標(biāo)記估計(jì)的遺傳力及通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)的所有相關(guān)基因貢獻(xiàn)的遺傳力的總和，均低于實(shí)際遺傳力。它不是局限在番茄里，而是廣泛存在于各個(gè)物種中。這篇論文“很好地利用番茄這種作物回答了這個(gè)廣義的普遍性問(wèn)題”。

“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?！敝芤φf(shuō)，遺傳力是研究基因型與表型相關(guān)性的基礎(chǔ)。

論文共同第一作者、基因組所博士研究生張智洋介紹，此前，在人類(lèi)中遺傳力丟失問(wèn)題研究最為豐富。但受限于技術(shù)，這些研究主要關(guān)注單核苷酸變異與表型之間的聯(lián)系，而忽視了更多隱藏的大結(jié)構(gòu)變異對(duì)表型的影響。

由于番茄的遺傳資源豐富，其馴化歷史、表達(dá)調(diào)控及風(fēng)味代謝方面都已進(jìn)行了相關(guān)研究，為進(jìn)一步研究遺傳力丟失奠定了基礎(chǔ)。

論文共同第一作者、基因組所科研助理鮑志貴說(shuō)，通過(guò)構(gòu)建番茄圖泛基因組，他們的研究準(zhǔn)確鑒定了番茄基因組中的結(jié)構(gòu)變異，并發(fā)現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)變異是遺傳力丟失的關(guān)鍵原因之一。與利用單一參考基因組相比，基于圖泛基因組的遺傳變異可將估計(jì)的遺傳力提高24%，展現(xiàn)了圖泛基因組在找回“丟失的遺傳力”上的重要作用。

他們進(jìn)一步精心構(gòu)建了一個(gè)包含近2.1萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)變異的數(shù)據(jù)集。如果利用該數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)育種芯片，評(píng)估基因組選擇的準(zhǔn)確率可能超過(guò)利用全部的單核苷酸多態(tài)性。

“結(jié)構(gòu)變異的神秘面紗被揭開(kāi)了，它們才是番茄中某些基因表達(dá)性狀的這輛遺傳力‘汽車(chē)’的‘司機(jī)’，發(fā)揮著主導(dǎo)作用，而簡(jiǎn)單變異可以說(shuō)是‘乘客’?！睏顒φf(shuō)，這篇論文讓大家更加重視對(duì)結(jié)構(gòu)變異的研究。

破解結(jié)薯密碼培育新“優(yōu)薯”

作為世界第三大主糧作物，傳統(tǒng)馬鈴薯栽培以四倍體為主，依靠薯塊無(wú)性繁殖。然而，四倍體遺傳分析復(fù)雜，育種過(guò)程漫長(zhǎng)；薯塊運(yùn)輸成本高，易感染病蟲(chóng)害。

為徹底打破產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的障礙，2017年“優(yōu)薯計(jì)劃”啟動(dòng)，旨在用二倍體替代四倍體馬鈴薯，用雜交種子替代薯塊繁殖，對(duì)馬鈴薯育種和繁殖方式進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。2021年，《細(xì)胞》發(fā)表了黃三文團(tuán)隊(duì)培育的第一代二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號(hào)”。

上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授黃學(xué)輝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，作為優(yōu)薯計(jì)劃的后續(xù)，充分挖掘二倍體馬鈴薯中的等位變異將是進(jìn)一步育種改良的關(guān)鍵。

“馬鈴薯種質(zhì)資源豐富，自然界中70%的馬鈴薯是二倍體，其中大部分是野生材料。充分利用這些資源中的優(yōu)異性狀，有利于加快馬鈴薯的遺傳改良?！秉S三文說(shuō)，目前已發(fā)表的馬鈴薯基因組序列只捕獲馬鈴薯有限的生物多樣性，不足以全面了解馬鈴薯基因組，從而用于育種指導(dǎo)。

唐蝶介紹，在構(gòu)建二倍體馬鈴薯泛基因組的同時(shí)，他們還挑選了馬鈴薯姊妹類(lèi)群——類(lèi)馬鈴薯組（Section Etuberosum）的兩個(gè)種進(jìn)行基因組的組裝和注釋。

Etuberosum是馬鈴薯的近緣物種，其植株外形和馬鈴薯非常相似，也會(huì)形成地下分枝，并向上生長(zhǎng)發(fā)育成新的植株，不會(huì)產(chǎn)生薯塊；而馬鈴薯的匍匐莖向下生長(zhǎng)，并在頂端膨大形成薯塊；番茄不含有地下分枝，也不形成薯塊。“因此，我們推測(cè)Etuberosum是薯塊形成的過(guò)渡態(tài)?！闭撐墓餐谝蛔髡?、基因組所博士后賈玉鑫說(shuō)。

通過(guò)對(duì)上述三者的多組學(xué)比較分析，該團(tuán)隊(duì)鑒定到一個(gè)可能在薯塊發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的TCP轉(zhuǎn)錄因子，并創(chuàng)制了該轉(zhuǎn)錄因子的基因純合缺失突變體。表型觀察發(fā)現(xiàn)，相比于野生型，突變體匍匐莖頂端無(wú)法正常膨大形成薯塊，轉(zhuǎn)而發(fā)育成側(cè)枝?！斑@證明該基因在薯塊發(fā)育的起始時(shí)期發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⒅袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所助理研究員張金喆說(shuō)。該基因被命名為薯塊身份基因。

論文共同第一作者、基因組所博士生李宏博介紹，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)栽培馬鈴薯內(nèi)部共線性缺失現(xiàn)象，說(shuō)明栽培馬鈴薯材料中廣泛的遺傳多樣性。馬鈴薯基因組中存在很多大的結(jié)構(gòu)變異，而馬鈴薯的無(wú)性繁殖方式很難將這些結(jié)構(gòu)變異清除出去。

黃學(xué)輝說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)借助高質(zhì)量馬鈴薯泛基因組獲得了一些重要的基因功能線索?！皟?yōu)良的變異要怎樣聚合到新品種中？如何優(yōu)中選優(yōu)？這份成果獲得的大量遺傳多樣性信息將對(duì)未來(lái)二倍體馬鈴薯改良產(chǎn)生重要作用?！?/p>

瑞典斯德哥爾摩大學(xué)生態(tài)、環(huán)境與植物科學(xué)系Juanita Gutirrez-Valencia和Tanja Slotte在《自然》同期發(fā)表的觀點(diǎn)文章中說(shuō)，該研究大大擴(kuò)展了馬鈴薯的基因組資源，利用泛基因組鑒定的遺傳變異無(wú)疑會(huì)推進(jìn)其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。該研究提供的組學(xué)信息資源將助力馬鈴薯基因組學(xué)輔助育種。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04822-x

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04808-9

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-06-13 第1版 要聞)

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)