Cell項目文章|馬鈴薯雜交種子繁殖技術的“綠色革命”
2021.07.07

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,在國際知名學術期刊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”。安諾優達為本次研究提供了PacBio三代DNA建庫測序服務。



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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

發表雜志:Cell

研究物種:馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)

影響因子:41.582



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研究背景

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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。但與其他谷物類糧食作物相比,馬鈴薯的遺傳增益一直很小,其四倍體遺傳的復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,種子便于運輸且種植用量少(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。


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研究難點及解決辦法

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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),因此在自花授粉后不能形成種子。馬鈴薯的隱性有害基因含量多,自交后隱性基因純合,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,然后淘汰有害突變并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。


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育種設計思路

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圖1 馬鈴薯雜交育種基因組設計原理圖


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研究結果

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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,最后選擇PG6359和E86-69作為原始材料培育高純合自交系。


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圖2 馬鈴薯雜交育種原材料的選擇


02

基于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布在兩套基因組上面,僅基于表型的選擇,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)。

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圖3 鑒定控制雄性植株生育能力的大效應有害突變


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圖4 在相斥相打破兩種有害突變的緊密聯系


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,基于表型(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,播種其余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。

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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)。云南地區種植,F1平均產量是溫室條件下的2倍(圖6-D),塊莖中類胡蘿卜素(59.63-72.06 mg/kg干重)和干物質(23.10%-26.02%)含量較高。

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圖6 以自交系為基礎的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雜交后代中將被掩蓋,在基因互補的層面上一定程度解釋了雜種F1的雜種優勢。


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小結

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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,并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。



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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

文案:產品經理 彭宇翔

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