Cell项目文章|马铃薯杂交种子繁殖技术的“绿色革命”
2021.07.07

中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究团队运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯,用杂交种子繁殖替代薯块繁殖,实现了“优薯计划”实施以来的里程碑式突破。2021年6月24日,在国际知名学术期刊Cell(IF=41.582)在线发表了题为“Genome design of hybrid potato”的文章,介绍了如何选择育种亲本材料、淘汰有害突变、打破有害突变和优良等位基因的连锁以及选择杂交亲本,培育出了第一代高纯合度(>99%)二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品系“优薯1号”。安诺优达为本次研究提供了PacBio三代DNA建库测序服务。



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文章名称:Genome design of hybrid potato(杂交马铃薯的基因组设计)

发表时间:2021年6月24日

发表杂志:Cell

研究物种:马铃薯(Solanum tuberosum L.)

影响因子:41.582



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研究背景

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马铃薯(Solanum tuberosum L.)作为重要的块茎作物之一,是全球约13亿人的主食。但与其他谷物类粮食作物相比,马铃薯的遗传增益一直很小,其四倍体遗传的复杂性阻碍了栽培马铃薯遗传改良,无性繁殖制约了马铃薯产业发展。除此之外,马铃薯无性繁殖器官为块茎,体积大,储运不方便;种薯为鲜活器官,易染病虫害,需脱毒,人力物力耗费巨大。与传统繁育方式相比,种子便于运输且种植用量少(2g/亩),不易传播病虫害。因此马铃薯杂交种子繁殖技术对提高马铃薯育种速度和繁殖效率,以及增强农民和消费者的广泛利益具有重要意义。


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研究难点及解决办法

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二倍体马铃薯是异交作物,存在自交不亲和现象(由高多态性的S-RNase等位基因控制),因此在自花授粉后不能形成种子。马铃薯的隐性有害基因含量多,自交后隐性基因纯合,进而产生不良性状,自交衰退现象明显。因此获得高质量的马铃薯种子首先需要通过基因编辑、筛选突变体或者导入亲和基因Sli 等方法打破自交不亲和,然后淘汰有害突变并打破有害突变和优良基因的连锁,最终获得优良的杂交种子。


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育种设计思路

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图1 马铃薯杂交育种基因组设计原理图


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研究结果

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01

材料选择


根据基因组筛选有害突变少的品系。研究显示,杂合snp数目与杂合有害突变呈正相关,统计杂合snp数目结果显示,PG6359和E86-69的有害突变相对较少,RH和C10-20含有相对较多的有害突变(图2-A);每个无性系的小S1群体分析显示,RH和C10-20的SDs比PG6359和E86-69的SDs多(图2-B),增加了培育纯自交系的难度。综上所述,最后选择PG6359和E86-69作为原始材料培育高纯合自交系。


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图2 马铃薯杂交育种原材料的选择


02

基于表型和基因组选择高纯合自交系



在马铃薯(二倍体)中,有害突变以镶嵌的形式分布在两套基因组上面,仅基于表型的选择,有时不可能在相斥相识别和清除紧密连锁的有害突变(图3)(若每个同源染色体上各有一个突变基因和一个野生型基因,则称为相斥相(repulsion phase,(Ab/aB。因此,需要进一步通过基因组分析对高纯合度自交系进行筛选(图4)。

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图3 鉴定控制雄性植株生育能力的大效应有害突变


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图4 在相斥相打破两种有害突变的紧密联系


下面以PG6359为例介绍如何通过自交获得高纯合度自交系(图5):

  • Step1:选择携带4个有益等位基因的86个S1个体进行自交(Ss11为自交亲和性,YL1为正常叶片,FBA1为育性,Y为黄色果肉)。

  • Step2:评估9,000株S2植株的性能和纯合度,基于表型(生长势、坐果率和块茎相关性状)筛选出116株S2个体,收集具有较高纯合度和所需性状个体的种子。

  • Step3:淘汰基因组纯合度为70%的S2植株,播种其余79株。将萌发率较高的44个S3(约8,000株)移栽,进行进一步研究。

  • Step4:根据同样的选择过程,这个种群继续自我繁殖了两代,获得了多个携带有利等位基因的PG6359高纯合自交系。

  • Step5:同理获得E86-69高纯合自交系。

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图5 利用杂合子无性系PG6359构建自交系


03

F1杂交种的产生及杂种优势的遗传基础



PG6359自交系S5植株的平均纯合度提高到97.54%(91.79%-99.94%),E86-69自交系平均纯合度提高到91.85%。二者杂交种F1在温室中具有较强的生长势和产量(图6-A和图6-B),与亲本相比,F1的产量至少提高了31%(图6-C)。云南地区种植,F1平均产量是温室条件下的2倍(图6-D),块茎中类胡萝卜素(59.63-72.06 mg/kg干重)和干物质(23.10%-26.02%)含量较高。

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图6 以自交系为基础的F1的杂种优势


对F1杂种H1的亲本A6-26(纯合度98.16%)和E4-63(纯合度98.52%)进行基因组组装(Pacbio HiFi reads),通过比较DM(马铃薯参考基因组)与二者遗传变异结果显示,A6-26和E4-63共有的SNP、indels和结构变异分别为11.55%、11.35%和16.91%,表明亲本间90%的变异是杂合的;进一步预测A6-26和E4-63的有害替换重叠率为8.36%,其中30%还表现出差异表达,因此大部分有害替换在F1杂交后代中将被掩盖,在基因互补的层面上一定程度解释了杂种F1的杂种优势。


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小结

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本文运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯,实现了马铃薯的二倍体杂交种子繁殖,并培育出了第一代高纯合度(>99%)二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品系“优薯1号”。但是低基因组杂合度和低有害突变是选择起始材料的两个标准,不能保证高纯合度自交系的成功发育。一些基因组设计的高代自交系虽然没有大效应的有害突变,但可能积累了过多的小效应的有害突变,导致生长活力低下和雄性不育。因此,育种工作者在实际育种中应选择多种起始材料。此外,未来还需要通过改进算法进一步提高有害突变预测的准确性。



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参考文献:

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:产品经理 彭宇翔

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