北京時(shí)間2023年5月4日，國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)胞（Cell）》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變、加速雜交馬鈴薯育種）”。黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀單位，收集大量茄科物種資源，通過(guò)對(duì)100個(gè)茄科基因組的比較分析來(lái)追蹤最長(zhǎng)8千萬(wàn)年、累計(jì)十二億年的進(jìn)化痕跡，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出“進(jìn)化透鏡”來(lái)發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進(jìn)化約束及有害突變，繪制了首個(gè)馬鈴薯有害突變二維圖譜。利用圖譜信息，提出反直覺的自交系培育方法，開發(fā)全基因組預(yù)測(cè)新模型，使馬鈴薯產(chǎn)量預(yù)測(cè)達(dá)到了前所未有的準(zhǔn)確度，加速了雜交馬鈴薯育種進(jìn)程。該研究使得我國(guó)在鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。

 

　　“優(yōu)薯計(jì)劃”—馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的綠色革命

 

　　馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國(guó)第四大主糧作物。馬鈴薯具有產(chǎn)量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復(fù)雜，導(dǎo)致育種進(jìn)程十分緩慢。此外，由于采用薯塊無(wú)性繁殖，馬鈴薯還面臨著繁殖系數(shù)低、儲(chǔ)運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等問(wèn)題。

 

　　為解決上述難題，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，旨在用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。將馬鈴薯的育種周期由原來(lái)的10～12年縮短至3～5年，繁殖系數(shù)提高1000倍，有望引領(lǐng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”。

 

　　“有害突變”導(dǎo)致的自交衰退是“優(yōu)薯計(jì)劃”航道上的“暗礁”：自交不親和（植物自花授粉后不能產(chǎn)生成熟種子）及自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及產(chǎn)量下降）是妨礙馬鈴薯育種進(jìn)程的兩大障礙。為解決這兩個(gè)問(wèn)題，黃三文團(tuán)隊(duì)先后解析了馬鈴薯單倍體、二倍體及四倍體基因組和泛基因組（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022; Nature，2022），打破了自交不親和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)，通過(guò)清除大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種（Nature Genetics, 2019; Cell，2021; JIPB，2022）。

 

　　盡管如此，馬鈴薯基因組中大量雜合有害突變、排斥相連鎖產(chǎn)生的希爾—羅伯森（Hill-Robertsen）干涉，會(huì)導(dǎo)致有害突變難以通過(guò)表型來(lái)發(fā)現(xiàn)，難以通過(guò)自交來(lái)淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突變，需要進(jìn)一步剔除。為實(shí)現(xiàn)品種快速改良必須高效剔除有害突變，因此亟需一種準(zhǔn)確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術(shù)。

 

　　以史為鏡鑒定有害突變

 

　　為此，研究人員收集了大量茄科物種資源，完成了38份茄科基因組組裝，結(jié)合已發(fā)表數(shù)據(jù)，獲得95份茄科材料、5份旋花科材料（共92個(gè)物種，100份材料）基因組信息，完成了茄科基因組組裝和組學(xué)進(jìn)化分析。這些材料最長(zhǎng)進(jìn)化時(shí)間為8千萬(wàn)年，累計(jì)十二億年的進(jìn)化時(shí)間。研究人員通過(guò)追蹤這段進(jìn)化歷史的突變積累及選擇結(jié)果，開發(fā)進(jìn)化透鏡，從全基因組層面鑒定進(jìn)化約束位點(diǎn)及其進(jìn)化保守值。進(jìn)化保守值越高的位點(diǎn)更可能具有重要功能，突變后更可能降低馬鈴薯繁殖力、生活力及產(chǎn)量，即形成有害突變。研究人員將突變位點(diǎn)的進(jìn)化保守值作為有害程度值，繪制了首個(gè)包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，為鑒定馬鈴薯功能位點(diǎn)及剔除有害突變提供了新依據(jù)。

 

　　優(yōu)薯計(jì)劃最關(guān)鍵的步驟是構(gòu)建馬鈴薯高度純合的自交系。在高度純合的自交系構(gòu)建過(guò)程中，這些原本隱藏在雜合位點(diǎn)的有害突變成為純合而暴露其有害功能，從而產(chǎn)生自交衰退，成為雜交馬鈴薯育種的卡脖子問(wèn)題。例如，國(guó)際上經(jīng)過(guò)9代自交獲得的馬鈴薯株系“Solyntus”，其全基因組仍有20%的區(qū)域雜合，無(wú)法成功構(gòu)建高度純合自交系（van Lieshout et al., 2020 G3）。由于希爾—羅伯森（Hill-Robertsen）干涉作用，有害突變難以通過(guò)自交來(lái)完全淘汰。本研究繪制的高質(zhì)量有害突變二維圖譜是指導(dǎo)選擇起始材料、減少有害突變遺傳給后代、解決構(gòu)建自交系難題的主要途徑。

 

　　基于該圖譜，研究人員統(tǒng)計(jì)了起始材料傳給后代的有害突變總值（即有害突變遺傳總值），并選擇有害突變總值低的材料來(lái)作為構(gòu)建自交系的起始材料。并在育種實(shí)踐中驗(yàn)證了該選擇模型的可靠性。傳統(tǒng)育種通常依據(jù)表型，選擇長(zhǎng)勢(shì)好的材料作為起始材料，然而這些材料往往具有更高有害突變遺傳總值，選擇這些材料反而會(huì)增加高度純合自交系構(gòu)建難度；說(shuō)明基因組指導(dǎo)選擇與基于表型選擇的結(jié)果相反，是一種反直覺選擇。該反直覺選擇可以有效選取自交系的起始材料，在當(dāng)代就可以預(yù)測(cè)2-3年后自交系構(gòu)建結(jié)果，大幅提高自交系構(gòu)建成功率，在更短時(shí)間內(nèi)培育更多自交系及雜交品種。

 

　　有害突變預(yù)測(cè)+全基因組選擇使馬鈴薯育種駛?cè)肓丝燔嚨溃貉芯咳藛T發(fā)現(xiàn)有害突變總值與產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀顯著相關(guān)，首次將有害突變信息整合到全基因組預(yù)測(cè)新模型來(lái)預(yù)測(cè)馬鈴薯產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。相比缺少有害突變信息模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度提高了45%；相比隨機(jī)有害突變信息模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度提高了25%；在馬鈴薯中達(dá)到了前所未有的準(zhǔn)確度。該模型能夠根據(jù)基因型及有害突變信息準(zhǔn)確估計(jì)育種值，更好地幫助育種家制定早期育種決策，進(jìn)一步降低育種成本、縮短馬鈴薯育種周期、快速培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種。

 

　　本研究開創(chuàng)了進(jìn)化透鏡鑒定有害突變的新技術(shù)，提出了高度純合自交系起始材料反直覺選擇的新依據(jù)，開發(fā)了全基因組預(yù)測(cè)農(nóng)藝性狀的新策略，標(biāo)志著我國(guó)在馬鈴薯育種理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。

 

　　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“基因組所”）研究員黃三文為通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士生胡勇為該論文的共同第一作者。基因組所博士生李宏博、奧胡斯大學(xué)Guillaume P. Ramstein教授，康奈爾大學(xué)Edward S. Buckler教授、蘇黎世大學(xué)Thomas St?dler教授、英國(guó)自然博物館Sandra Knapp研究員、基因組所張春芝研究員、周永鋒研究員、周紹群研究員、張新巖研究員、愛丁堡皇家植物園Tiina S?rkinen研究員、馬克斯·普朗克生物研究所博士研究生鮑志貴、中國(guó)科學(xué)院植物研究所周姚研究員、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院宋寶興研究員、慕尼黑工業(yè)大學(xué)Edeline Gagnon及中山大學(xué)張雨副教授為該研究提出了重要指導(dǎo)。

 

　　該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。

 

　　專家點(diǎn)評(píng)：

 

　　中國(guó)科學(xué)院院士李家洋（崖州灣實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員）點(diǎn)評(píng)說(shuō)“黃三文團(tuán)隊(duì)這一研究成果不僅對(duì)馬鈴薯，還將會(huì)對(duì)糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用”。

 

　　中國(guó)科學(xué)院院士韓斌 （中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任）說(shuō)：黃三文團(tuán)隊(duì)能夠敏銳的捕捉到并完成世界最前沿最挑戰(zhàn)性的工作在這次最新的研究中，他們創(chuàng)新性地應(yīng)用了整個(gè)茄科的比較基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)來(lái)指導(dǎo)馬鈴薯育種，思路新穎，引領(lǐng)了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對(duì)我國(guó)種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。“

 

　　中國(guó)科學(xué)院院士錢前（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員）說(shuō)”優(yōu)薯計(jì)劃不僅理論創(chuàng)新，面臨更多挑戰(zhàn)，黃三文團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，終于做出來(lái)了，有望在短期內(nèi)通過(guò)基因組設(shè)計(jì)創(chuàng)建更多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交馬鈴薯。“

 

　　中國(guó)科學(xué)院院士種康（中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員）點(diǎn)評(píng)說(shuō)”黃三文團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預(yù)示著作物育種進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即育種家們不能僅僅關(guān)注自己的“一畝三分地”，更需要從一個(gè)更大的進(jìn)化維度思考育種的新策略。“

 

　　中國(guó)科學(xué)院院士金力（復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)）點(diǎn)評(píng)說(shuō)”黃三文團(tuán)隊(duì)在Cell發(fā)表的這項(xiàng)研究與上周的Science專刊通過(guò)對(duì)240種哺乳動(dòng)物基因組的進(jìn)化約束研究，兩者有異曲同工之妙。“

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授賴錦盛（國(guó)家玉米改良中心主任）說(shuō)”黃三文團(tuán)隊(duì)的研究終于找到了反直覺篩選的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，開發(fā)了全基因組預(yù)測(cè)新模型將其應(yīng)用到雜交馬鈴薯育種的早期決策，標(biāo)志著我國(guó)馬鈴薯育種絕對(duì)達(dá)到國(guó)際前沿。“

 

　　明尼蘇達(dá)大學(xué)的教授彼得·莫雷爾點(diǎn)評(píng)說(shuō)”優(yōu)薯計(jì)劃是最雄心勃勃的計(jì)劃，可能是我聽說(shuō)過(guò)的有魄力的項(xiàng)目之一。黃三文團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并有效鑒定出有害的遺傳變異，進(jìn)而達(dá)到能夠長(zhǎng)期不斷改良產(chǎn)量等性狀。“