项目文章 | 三代测序助力马铃薯品种“合作88”的高质量基因组解析

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马铃薯是世界上最重要的块茎类作物。栽培马铃薯是同源四倍体（2n=4x=48），基因组包含四套高度杂合的同源染色体。马铃薯主要依靠薯块进行无性繁殖，有害等位基因隐藏在四套染色体中很难被清除，而优良基因的聚合要依靠四套染色体复杂的遗传重组，这些特征导致马铃薯品种的改良困难极大。解析栽培马铃薯基因组对挖掘和利用有益基因，并开展快速分子育种十分重要。

2022年6月22日，Molecular Plant 在线发表了中国农业科学院、鹏城实验室和云南师范大学共同完成的题为“Genome architecture and tetrasomic inheritance of autotetraploid potato”的研究论文。该研究发布了当前最高质量的栽培马铃薯基因组，同时通过比较基因组学和遗传学分析，揭示了同源染色体间广泛存在且不均衡的序列、表达和遗传行为的差异，并展示了亲本之间有害突变基因型的互相屏蔽和功能基因的互补。

解析同源多倍体基因组最主要的挑战在于区分同源染色体间十分相似的序列。在本研究中，作者首先使用自交群体遗传作图的方法将四倍体基因组的高准确率测序序列（HiFi read）分成了四组，其次在全基因组组装图中引入了“polyploid graph binning”的方法，利用HiFi read的分组信息辅助区分四套同源染色体。该策略十分成功，作者最终获得 3.15 Gb组装序列，其中3.03 Gb 被锚定成四组共48条染色体。Contig N50达到18.78 Mb，BUSCO完整基因达到98.4%，显示这是当前质量最高的同源四倍体马铃薯基因组。希望组为本研究提供了Nanopore三代测序服务。

通过对四套同源染色体的比较基因组学分析，作者检测出马铃薯基因组内部12M的SNP和InDel，5万多个SV 和1万多个PAV基因，显示了栽培马铃薯基因组的高度杂合。四个同源染色体之间两两差异并不均衡，在基因组上造成了大量“局部坍缩”的纯合区域。同源染色体的近着丝粒区域序列高度特异，存在大量未报道的单体型特异的重复序列，显示了马铃薯染色体着丝粒序列的快速进化。四倍体基因组内大约四分之一的区域（~780Mb）存在野生二倍体马铃薯的渐渗片段，这些渐渗片段可能贡献了特异的着丝粒序列。

图1 同源四倍体马铃薯基因组的解析

双减数分裂（Double Reduction，DR）是同源多倍体物种特有的遗传现象。在本研究中，作者构建了包含1034个后代的自交群体，在全基因组范围检测到1% – 4%比例的DR事件，同源染色体之间存在显著的DR频率差异。四倍体基因组单体型序列的构建为进一步研究多倍体特殊遗传现象提供了有力的数据基础。

本研究中测序的栽培马铃薯品种“合作88 ”（Cooperation-88, C88）是云南师范大学等单位与国际马铃薯中心合作选育的优良品种，是我国云南地区主栽品种之一。C88的母本具有优良适应性和一般抗性, 父本来自Solanum andigena的混合花粉，晚疫病抗性强而适应性较差。通过对C88中父本染色体和母本染色体的比较发现，父本染色体携带更多的有害突变。其中2366个携带纯合有害突变父本基因，被母本染色体屏蔽成杂合状态，降低了有害突变的不良影响。而C88父本染色体贡献了两个抗晚疫病基因R1，R2，是C88优良抗性的来源。对同源染色体单体型上有害突变和功能基因的分析，能够为马铃薯设计育种选择合适的骨架单体型提供全面的信息。

图2 父本和母本染色体上的有害突变和功能基因

中国农业科学院深圳农业基因组所鲍志贵，云南师范大学马铃薯学院李灿辉教授，中国农业科学院蔬菜花卉研究所李广存研究员为本文共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组所黄三文研究员与鹏城实验室周倩博士为本文共同通讯作者。该工作得到广东省基础与应用基础研究重大专项和农业科技创新计划，以及国家自然科学基金的资助。

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