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泛基因组：赋能未来作物育种的基石

时间：2022-06-09 泉源：中国科学报

绘图：黄怡可

泛基因组（Pan-genome）是一个物种内所有基因组信息的总和，，，，，它比简单参考基因组涵盖了更多的遗传多样性。。。。。

近年来，，，，，科学家已经获得了多个作物的泛基因组。。。。。怎样使用这些更为周全的基因组信息培育下一代良种，，，，，成为科学家们体贴的课题。。。。。

北京时间2022年6月8日，，，，，《自然》在线揭晓了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下称“基因组所”）黄三文团队有关泛基因组的两项研究效果。。。。。

一篇论文中，，，，，他们首次获得了番茄的图泛基因组，，，，，并借此找回了番茄育种中“丧失的遗传力”，，，，，为剖析生物重大性状的遗传机制提供了新思绪。。。。。论文评审专家以为，，，，，“这项事情是对图泛基因组看法最周全的剖析。。。。。” “图泛基因组将可能成为基因组剖析和作物基因组育种的标准，，，，，在这个意义上，，，，，这篇论文是涤讪性的（foundational）”。。。。。

另一篇论文中，，，，，他们首次剖析了二倍体马铃薯的泛基因组，，，，，研究了茄科茄属（Genus Solanum）的物种进化，，，，，破解了马铃薯怎样结薯的分子机制，，，，，并为杂交马铃薯育种改良提供了富厚的遗传变异信息。。。。。《自然》同期揭晓的看法性文章指出，，，，，组装数目云云之多的异交和高杂合马铃薯高质量基因组，，，，，是一项非凡的成绩（remarkable feat）。。。。。泛基因组周全判断了加入主要生物学历程的基因，，，，，能够赋能马铃薯育种。。。。。

意味着更准确更详尽

“在一个物种内，，，，，有些基因是某些个体所特有的。。。。。好比恣意两个番茄所含有的基因是不完全相同的，，，，，基因差别可能导致口感差别。。。。。” 论文通讯作者黄三文在接受《中国科学报》采访时诠释道，，，，，番茄有许多品种，，，，，如大果番茄、樱桃番茄和醋栗番茄等，，，，，若是只是用大果番茄的参考基因组举行研究，，，，，那其中不会包括樱桃番茄和醋栗番茄特有的基因组信息。。。。。

黄三文说，，，，，把一个物种所有的基因都找到，，，，，并凭证顺序排列，，，，，就形成了泛基因组。。。。。而图泛基因组 (graph pangenome)是借助数学和盘算机中被称为图（graph）的数据结构来展示一个物种所有的基因排列和结构。。。。。

论文第一作者、基因组所副研究员周姚告诉《中国科学报》，，，，，由于泛基因组比简单参考基因组越发准确和详尽地代表了整个物种的遗传多样性，，，，，而详尽和准确的变异对下游的遗传学剖析提供了完善的基础，，，，，以是借助泛基因组做研究禁止易遗漏主要的基因和信息。。。。。

“此前有许多作物都获得了泛基因组图谱，，，，，如水稻、玉米、小麦、大麦、棉花、番茄、油菜等。。。。。这次我们首次获得了番茄的图泛基因组，，，，，并第一次完成了二倍体马铃薯的泛基因组。。。。。”黄三文说。。。。。

在关于番茄图泛基因组的研究中应用了“图”这个看法。。。。。“图是数学和盘算机科学中一种常见的数据结构。。。。。已有研究发明，，，，，使用该数据结构整合泛基因组，，，，，可以镌汰简单基因组带来的参考基因组误差问题。。。。。”周姚说，，，，，为了构建一个准确的图泛基因组，，，，，他们首先使用高准确率的三代测序手艺重新组装了骨架基因组，，，，，其组装质量在完整性、一连性和准确性等指标上均优于之前的版本。。。。。

随后，，，，，他们选取了31份具有代表性的番茄质料举行了组装，，，，，并判断出相关的遗传变异；；；在整合已宣布的结构变异和短片断测序信息后，，，，，最终构建了来自838个番茄基因组的图泛基因组。。。。。

法国农业科学研究院研究员Mathilde Causse以为，，，，，图泛基因组资源对番茄遗传和基因组研究很是主要，，，，，增进了后续的基因定位。。。。。这篇文章将成为番茄研究领域里的基石。。。。。

二倍体马铃薯泛基因组论文的第一作者、基因组所博士生唐蝶告诉《中国科学报》，，，，，为了获得高质量的二倍体马铃薯泛基因组，，，，，他们挑选了地方莳植种、野生种、近缘野生种等44份具有代表性的二倍体马铃薯种质举行了重测序和基因注释，，，，，最终完成了第一个二倍体马铃薯泛基因组。。。。。

审稿人评价说，，，，，马铃薯泛基因组的构建和剖析效果令人印象深刻。。。。。这项研究展示了基于普遍选材的“马铃薯组”和“类马铃薯组”泛基因组学的实力，，，，，能为其他作物泛基因组研究提供参考要领。。。。。

好吃的番茄：找回“丧失的遗传力”

黄三文告诉记者，，，，，作物的性状由遗传因素和情形因素的配相助用而决议。。。。�？？？蒲Ъ矣谩耙糯Α闭飧隹捶ㄌ逑忠恢肿魑锏男宰词芤糯骺氐谋壤！�。。。遗传力越高，，，，，说明性状的决议历程中遗传因素占比越大，，，，，情形因素占比越小。。。。。

在未来的作物育种中，，，，，基因组选择手艺将被普遍应用。。。。。当番茄照旧幼苗的时间，，，，，就对它的基因组举行测序，，，，，以此来展望它是否抗病、产量怎样、好吃欠好吃等。。。。。

然而，，，，，现在的展望还不是很准。。。。。“这是由于调控上述重大性状的基因有许多，，，，，有些基因的作用显着，，，，，其遗传力容易被检测到；；；而另一些基因的作用较量微弱，，，，，这些基因难于检测到的遗传力被称为‘丧失的遗传力’。。。。。”黄三文说，，，，，“遗传力丧失”是一个经典的数目遗传学问题，，，，，即通过遗传标记预计的遗传力以及通过全基因组关联剖析（GWAS）发明的所有相关基因所孝顺的遗传力总和均低于现实的遗传力。。。。。

“找回这些丧失的遗传力，，，，，将有助于明确重大性状的遗传机制。。。。。”周姚说，，，，，遗传力是研究基因型与表型相关性的基础，，，，，怎样更准确和系统地找到更多的决议表型的遗传变异是作物育种中的基础问题。。。。。无论是分子标记辅助育种照旧分子设计精准育种，，，，，都需要大宗的已知功效的遗传变异来指导品种选择或改良。。。。。

受访者供图

“现在以为遗传力丧失的主要缘故原由有以下几个：遗传标记与真实影响表型的基因之间保存着不完全连锁，，，，，导致模子预计爆发误差；；；有数等位基因的孝顺不易被察觉；；；某个基因的差别突变体现出相同的表型使得遗传剖析遗漏；；；基因与基因的互作和基因与情形的互作增添了剖析的重大性。。。。。古板短片断测序可对长度较小的变异举行判断，，，，，但对重大结构变异的检测能力较差，，，，，无法周全评估重大结构变异对遗传力的详细影响。。。。。”论文配合第一作者、基因组所张智洋说。。。。。

此前，，，，，在人类中遗传力丧失问题研究最为富厚。。。。。但受限于手艺，，，，，这些研究主要关注单核苷酸变异与表型之间的联系，，，，，而忽视了更多的隐藏的大结构变异对表型的影响。。。。。

由于番茄的遗传资源富厚，，，，，其驯化历史、表达调控以及风韵代谢方面都已有了相关的研究基础，，，，，为进一步研究遗传力丧失涤讪了基础。。。。。

论文配合第一作者、基因组所鲍志贵说，，，，，通过构建番茄图泛基因组，，，，，他们的研究准确判断了番茄基因组中的结构变异，，，，，并发明大的结构变异是遗传力丧失的要害缘故原由之一，，，，，为遗传力丧失问题提供了新的解决思绪。。。。。

进一步研究发明，，，，，与使用简单参考基因组相比，，，，，基于图泛基因组的遗传变异可将预计的遗传力提高24%，，，，，展现了图泛基因组在找回“丧失的遗传力”上的主要作用。。。。。

以影响番茄产量和糖度的主要代谢物可溶性固形物为例，，，，，接纳上述剖析要领，，，，，该团队共判断出2个潜在的与可溶性固形物含量高度相关的结构变异，，，，，可以用于未来的分子标记辅助选择。。。。。通过对影响番茄风韵的33种代谢物举行剖析发明，，，，，使用所有的结构变异作为分子标记举行基因组选择的效果最佳。。。。。

因此，，，，，他们进一步全心构建了一个包括近2.1万个结构变异的数据集。。。。。若是使用该数据集设计育种芯片，，，，，评估基因组选择的准确率可能凌驾使用所有的单核苷酸多态性。。。。。

西湖大学教授杨剑恒久从事数目遗传学研究。。。。。他在接受《中国科学报》采访时说，，，，，遗传力丧失的问题不但局限在番茄里，，，，，它是各个物种，，，，，包括人类中普遍保存的数目遗传学问题。。。。。这篇论文“很好地使用番茄这个作物回覆了这个广义的普遍性问题”。。。。。

该团队通过图泛基因组判断了大宗结构变异后，，，，，提出了一个主要问题：结构变异是否能解决遗传力丧失的问题？？？效果是肯定的。。。。。“结构变异的神秘面纱被揭开了，，，，，它们才是遗传力这辆‘汽车’的‘司机’，，，，，施展着主导作用，，，，，而简朴变异可以说是‘旅客’。。。。。”杨剑说，，，，，这篇论文将让各人越发重视对结构变异的研究。。。。。

培育“优薯”：破解结薯密码

作为天下第三大主粮作物，，，，，古板马铃薯莳植以四倍体为主，，，，，依赖薯块无性滋生。。。。。然而，，，，，四倍体遗传剖析重大，，，，，育种不可积累；；；薯块运输本钱高，，，，，易熏染病虫害。。。。。

为彻底突破工业生长中的障碍，，，，，2017年，，，，，在农业农村部、深圳市和中国农科院的支持下，，，，，黄三文联合海内外优势单位提倡了“优薯妄想”，，，，，旨在用基因组学和合成生物学指导马铃薯工业的绿色革命，，，，，即用二倍体替换四倍体，，，，，用杂交种子替换薯块，，，，，对马铃薯育种和滋生方法举行倾覆性立异。。。。。

“马铃薯种质资源富厚，，，，，自然界中70%的马铃薯是二倍体，，，，，其中大部分是野生质料，，，，，充分使用这些资源中的优异性状，，，，，有利于加速马铃薯的遗传改良。。。。。别的，，，，，马铃薯无性滋生方法对马铃薯基因组的影响以及薯块形成的遗传演化机制还没有被充分剖析。。。。。”黄三文说，，，，，现在已揭晓马铃薯的基因组序列只捕获马铃薯有限的生物多样性，，，，，缺乏以周全相识马铃薯基因组以用于育种指导。。。。。

约70%的马铃薯是二倍体。。。。。受访者供图

唐蝶先容，，，，，在构建二倍体马铃薯泛基因组的同时，，，，，他们还挑选了马铃薯姊妹类群——类马铃薯组（Section Etuberosum）的两个种举行基因组的组装和注释。。。。。同番茄一样，，，，，Etuberosum也是马铃薯的近缘物种，，，，，其植株外型和马铃薯很是相似，，，，，也会形成地下分枝，，，，，差别的是Etuberosum不会爆发薯块。。。。。以往的分类学研究关于马铃薯、番茄和Etuberosum的系统爆发关系一直保存争议。。。。。

“高质量的基因组为剖析马铃薯及近源物种的系统爆发关系提供了契机。。。。。”唐蝶说，，，，，他们发明马铃薯与近源物种番茄、Etuberosum之间，，，，，以及马铃薯类群内部，，，，，都保存普遍的种间杂交和不完全谱系分选征象，，，，，说明马铃薯类群履历了重大的演化历史。。。。。

使用高质量的泛基因组，，，，，他们发明相比于番茄和Etuberosum，，，，，马铃薯的抗病基因拷贝数显着扩张。。。。。“我们推测，，，，，这是由于马铃薯依赖于生长在土壤中的薯块举行无性滋生，，，，，其相比于种子更容易受到病原菌的侵染。。。。。马铃薯的无性滋生可能促使了抗病基因数目的扩张以应对病原菌对薯块的侵染。。。。。”论文配合第一作者、基因组所博士生李宏博说。。。。。

马铃薯类群、番茄类群和Etuberosum类群是进化距离很近的近缘物种，，，，，但只有马铃薯演化出了薯块这一主要的生物学性状。。。。。论文配合第一作者、基因组所博士后贾玉鑫说，，，，，Etuberosum和马铃薯都会爆发地下分枝，，，，，但Etuberosum的地下分枝向上生长发育成新的植株；；；而马铃薯的匍匐茎向下生长，，，，，并在顶端膨大形成薯块；；；番茄不含有地下分枝，，，，，也不形成薯块。。。。。“因此我们推测Etuberosum是薯块形成的过渡态。。。。。”

通过对上述三者的多组学较量剖析，，，，，该团队判断到一个可能在薯块发育历程中施展要害作用的TCP转录因子。。。。。

进一步地，，，，，他们在二倍体马铃薯中创造了上述转录因子的基因纯合缺失突变体。。。。。表型视察发明，，，，，相比于野生型，，，，，突变体匍匐茎顶端无法正常膨大形成薯块，，，，，转而发育成了侧枝。。。。。“这证实该基因在薯块发育的起始时期施展要害作用。。。。。”论文配合第一作者、中国农科院蔬菜花卉所助理研究员张金喆说。。。。。该基因被命名为薯块身份基因。。。。。

马铃薯和不结薯种都保存地下分枝，，，，，前者发育成匍匐茎并在顶端膨大形成薯块，，，，，后者向上生长发育成新的植株。。。。。受访者供图

进一步发明莳植马铃薯内部共线性缺失征象，，，，，这说明莳植马铃薯质料中普遍的遗传多样性。。。。。在对马铃薯举行杂交育种时，，，，，必需审慎思量这些共线性缺失片断，，，，，以及可能导致共线性缺失的大结构变异带来的连锁累赘等影响。。。。。他们发明，，，，，马铃薯基因组中保存许多大的结构变异，，，，，而马铃薯的无性滋生方法很难将这些结构变异扫除出去的。。。。。

其中，，，，，马铃薯3号染色体的倒位事务与薯块中控制类胡萝卜素积累的基因细密连锁，，，，，在自交子女中该倒位区域重组率显著下降。。。。。这意味着在育种中选择黄肉薯块这个主要的营养性状，，，，，就选择了该倒位区间的所有基因，，，，，这可能带来严重的连锁累赘征象。。。。。

“水稻、玉米等作物是二倍体，，，，，用种子来滋生，，，，，育种改良相对利便。。。。。我们平时吃到的马铃薯都是四倍体，，，，，块茎滋生，，，，，遗传改良一直很慢。。。。。”上海师范大学生命科学学院教授、水稻基因组专家黄学辉告诉《中国科学报》，，，，，2021年《细胞》揭晓的黄三文团队培育的第一代高纯合的二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”改变了这种情形。。。。。

作为优薯妄想的后续，，，，，充分挖掘二倍体马铃薯中的等位变异将是进一步育种改良的要害。。。。。该团队在高质量马铃薯泛基因组基础上，，，，，获得了一些主要的基因功效线索，，，，，尤其是乐成判断了马铃薯结薯的焦点调控基因，，，，，发明其在薯块发育历程中施展要害作用。。。。。

“优良的变异要怎样聚合到新品种中？？？怎样优中选优？？？这份效果获得的大宗遗传多样性信息将对未来二倍体马铃薯改良爆发主要作用。。。。。”黄学辉说。。。。。

瑞典斯德哥尔摩大学生态、情形与植物科学系Juanita Gutiérrez-Valencia和Tanja Slotte在《自然》同期揭晓的看法性文章中说，，，，，该研究大大扩展了马铃薯的基因组资源，，，，，使用泛基因组判断的遗传变异无疑会推进其基础和应用研究。。。。。

“相识与薯块形成相关的基因可以资助育种家选育高产马铃薯品种，，，，，而对抗病基因的周全剖析使得从野生种中定向引入抗性基因成为可能，，，，，从而提高马铃薯的抗病性。。。。。”文中写道，，，，，该研究提供的组学信息资源将助力基因组学辅助育种。。。。。

该研究将为马铃薯研究供富厚的基因组大数据支持，，，，，加深对马铃薯主要生物学性状的明确，，，，，有力地推动杂交马铃薯育种，，，，，并加速马铃薯作为主要主粮作物的育种历程。。。。。

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