中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文研究團隊運用「基因組設計」的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖，實現了「優薯計劃」實施以來的里程碑式突破。2021年6月24日，在Cell（IF=41.582）在線發表了題為「Genome design of hybrid potato」的文章，介紹了如何選擇育種親本材料、淘汰有害突變、打破有害突變和優良等位基因的連鎖以及選擇雜交親本，培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交優勢顯著的雜交馬鈴薯品系「優薯1號」。鸿运国际(中国)為本次研究提供了PacBio三代DNA建庫測序服務。
文章名稱：Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設計）
發表時間：2021年6月24日
發表雜誌：Cell
研究物種：馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）
影響因子：41.582
研究背景
馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）作為重要的塊莖作物之一，是全球約13億人的主食。但與其他穀物類糧食作物相比，馬鈴薯的遺傳增益一直很小，其四倍體遺傳的複雜性阻礙了栽培馬鈴薯遺傳改良，無性繁殖制約了馬鈴薯產業發展。除此之外，馬鈴薯無性繁殖器官為塊莖，體積大，儲運不方便；種薯為鮮活器官，易染病蟲害，需脫毒，人力物力耗費巨大。與傳統繁育方式相比，種子便於運輸且種植用量少（2g/畝），不易傳播病蟲害。因此馬鈴薯雜交種子繁殖技術對提高馬鈴薯育種速度和繁殖效率，以及增強農民和消費者的廣泛利益具有重要意義。
研究難點及解決辦法
二倍體馬鈴薯是異交作物，存在自交不親和現象（由高多態性的S-RNase等位基因控制），因此在自花授粉後不能形成種子。馬鈴薯的隱性有害基因含量多，自交後隱性基因純合，進而產生不良性狀，自交衰退現象明顯。因此獲得高質量的馬鈴薯種子首先需要通過基因編輯、篩選突變體或者導入親和基因Sli 等方法打破自交不親和，然後淘汰有害突變並打破有害突變和優良基因的連鎖，最終獲得優良的雜交種子。
育種設計思路
Step1：根據基因組分析選擇育種起始材料，打破自交不親和；
Step2：通過對S1群體的遺傳分析，確定大效應有害等位基因（黑色）和有益等位基因（綠色）的位置；
Step3：培育含優良等位基因的自交系；
Step4：具有不同遺傳背景的自交系雜交，得到強壯的F1雜交種。
圖1 馬鈴薯雜交育種基因組設計原理圖
研究結果
01 材料選擇
根據基因組篩選有害突變少的品系。研究顯示，雜合snp數目與雜合有害突變呈正相關，統計雜合snp數目結果顯示，PG6359和E86-69的有害突變相對較少，RH和C10-20含有相對較多的有害突變（圖2-A）；每個無性系的小S1群體分析顯示，RH和C10-20的SDs比PG6359和E86-69的SDs多（圖2-B），增加了培育純自交系的難度。綜上所述，最後選擇PG6359和E86-69作為原始材料培育高純合自交系。
圖2 馬鈴薯雜交育種原材料的選擇
02 基於表型和基因組選擇高純合自交系
在馬鈴薯（二倍體）中，有害突變以鑲嵌的形式分佈在兩套基因組上面，僅基於表型的選擇，有時不可能在相斥相識別和清除緊密連鎖的有害突變（圖3）（若每個同源染色體上各有一個突變基因和一個野生型基因，則稱為相斥相（repulsion phase，(Ab/aB））。因此，需要進一步通過基因組分析對高純合度自交系進行篩選（圖4）。
圖3 鑑定控制雄性植株生育能力的大效應有害突變
圖4 在相斥相打破兩種有害突變的緊密聯繫
下面以PG6359為例介紹如何通過自交獲得高純合度自交系（圖5）：
Step1：選擇攜帶4個有益等位基因的86個S1個體進行自交（Ss11為自交親和性，YL1為正常葉片，FBA1為育性，Y為黃色果肉）。
Step2：評估9,000株S2植株的性能和純合度，基於表型（生長勢、坐果率和塊莖相關性狀）篩選出116株S2個體，收集具有較高純合度和所需性狀個體的種子。
Step3：淘汰基因組純合度為70%的S2植株，播種其餘79株。將萌發率較高的44個S3（約8,000株）移栽，進行進一步研究。
Step4：根據同樣的選擇過程，這個種群繼續自我繁殖了兩代，獲得了多個攜帶有利等位基因的PG6359高純合自交系。
Step5：同理獲得E86-69高純合自交系。
圖5 利用雜合子無性系PG6359構建自交系
03 F1雜交種的產生及雜種優勢的遺傳基礎
PG6359自交系S5植株的平均純合度提高到97.54%（91.79%-99.94%），E86-69自交系平均純合度提高到91.85%。二者雜交種F1在溫室中具有較強的生長勢和產量（圖6-A和圖6-B），與親本相比，F1的產量至少提高了31%（圖6-C）。雲南地區種植，F1平均產量是溫室條件下的2倍（圖6-D），塊莖中類胡蘿蔔素（59.63-72.06 mg/kg乾重）和乾物質（23.10%-26.02%）含量較高。
圖6 以自交係為基礎的F1的雜種優勢
對F1雜種H1的親本A6-26（純合度98.16%）和E4-63（純合度98.52%）進行基因組組裝（Pacbio HiFi reads），通過比較DM（馬鈴薯參考基因組）與二者遺傳變異結果顯示，A6-26和E4-63共有的SNP、indels和結構變異分別為11.55%、11.35%和16.91%，表明親本間90%的變異是雜合的；進一步預測A6-26和E4-63的有害替換重疊率為8.36%，其中30%還表現出差異表達，因此大部分有害替換在F1雜交後代中將被掩蓋，在基因互補的層面上一定程度解釋了雜種F1的雜種優勢。
小結
本文運用「基因組設計」的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，實現了馬鈴薯的二倍體雜交種子繁殖，並培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交優勢顯著的雜交馬鈴薯品系「優薯1號」。但是低基因組雜合度和低有害突變是選擇起始材料的兩個標準，不能保證高純合度自交系的成功發育。一些基因組設計的高代自交系雖然沒有大效應的有害突變，但可能積累了過多的小效應的有害突變，導致生長活力低下和雄性不育。因此，育種工作者在實際育種中應選擇多種起始材料。此外，未來還需要通過改進算法進一步提高有害突變預測的準確性。
參考文獻：
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
