中国科学家首次解析二倍体土豆的泛基因组，极大扩展其基因组资源，为杂交土豆育种奠定坚实基础

继 2021 年 6 月在 Cell 发表 “”之后，时隔一年中国农科院农业基因组研究所研究员和团队，在 Nature“一口气”连发两篇论文、并斩获两个“首次”：首次解析二倍体马铃薯的泛基因组、首次收获番茄的图泛基因组。

其中，在马铃薯这篇论文里，课题组构建出了高质量二倍体马铃薯泛基因组图谱，这能让二倍体资源中的优异性状得到充分利用，从而加快杂交马铃薯育种。

此外，他们还发现了马铃薯类群里和农艺性状密切关联的结构变异，这将助力探究马铃薯无性繁殖方式对其基因组的影响、以及薯块形成的遗传演化机制。

以往的马铃薯基因组组装多以栽培马铃薯为主，并没有太多的野生马铃薯基因组得到解析。因此，限制了利用野生种质资源中丰富的遗传信息对马铃薯进行育种改良的进程。

据介绍，马铃薯是最重要的主粮作物之一，全球范围内超过一百个国家的 13 亿人以马铃薯为主粮，故对粮食安全具有重要意义。但是，传统的四倍体马铃薯的基因组高度杂合，遗传分离复杂，这严重限制了马铃薯新品种的选育进程。

为了加快利用二倍体马铃薯丰富的遗传多样性，以对其进行自交系改良、以及加深对马铃薯薯块发育等重要生物学性状的理解，该团队从头组装了多个高质量马铃薯参考基因组，最终构建出二倍体马铃薯泛基因组图谱，完善了马铃薯的变异数据集，为马铃薯育种提供了丰富的基因组大数据支持。

近日，相关论文以《野生和栽培马铃薯的基因组进化和多样性》（）为题，发表在 Nature 上，、贾玉鑫、张金喆、李宏博担任共同第一作者，担任通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Nature）

审稿人评价称，该研究解析了马铃薯和姊妹类群之间的进化关系，并且对块茎进化提出了新见解。其展示了泛基因组学的力量，能为其他作物泛基因组研究提供参考方法，将成为被广泛引用的重要资源。

在 Nature 同期专评里，瑞典斯德哥尔摩大学生态基因组学教授塔尼娅·斯洛特（）和胡安妮塔·古铁雷斯-瓦伦西亚（）指出：“组装数量如此之多的异交和高杂合马铃薯高质量基因组，是一项了不起的壮举”。他们还表示：“该研究大大扩展了马铃薯的基因组资源，并且利用泛基因组鉴定的遗传变异无疑会推进其基础和应用研究。”

这两位专家继续评价称：“下一步，研究地方种和野生种如何适应来自不同生境的环境压力将有助于研究人员建立基因与性状之间的联系，并像其它主要作物那样指导马铃薯育种。本文提供的组学信息资源也将助力基因组学辅助育种”[2]。此外，该论文还被国际学术组织 Faculty Opinions 推选为该领域具有重要意义的研究[3]。

基于组学大数据的指导，来聚合优良性状

据悉，相比传统的单一参考基因组，泛基因组（Pan-genome）作为一个物种内所有基因组的信息总和，其蕴含的遗传多样性更多，因此可通过参考基因组偏差，来降低遗传变异检测的影响。

当下，科学家针对水稻、玉米、小麦、大麦、大豆和番茄等作物，都已构建出泛基因组，并在功能基因研究、育种改良等领域体现出重要价值。

但是，目前对泛基因组的遗传学分析，大多停留在单个参考基因组的分析框架内。因此，如何充分利用泛基因组的优势，去解决重要的生物学问题、以及推动植物遗传育种的研究，仍然需要学界的持续“耕耘”。

研究中，该团队并未针对马铃薯使用图基因组，只是通过常规比对的方式进行变异鉴定。其实，他们尝试过对马铃薯构建图基因组，但鉴于马铃薯基因组的复杂性和遗传多样性，目前的方式对马铃薯泛基因组的构建效果并不好，所以并未使用图基因组。

而番茄则比较适合构建图基因组，首先栽培番茄都是纯合的，基因组相对简单；其次，栽培番茄之间相似性较高，基因组比对的结果，相对没有那么复杂。如前所述，关于番茄的研究论文，以“背靠背”形式发表在了同期 Nature 上。

据悉，构建马铃薯图基因组需要有两个前提条件：第一，最好是分型的基因组，即来自父本和母本的两套基因组是分好型的（课题组坦言此次研究并未解决该问题）；第二，构建图基因组的材料，尽量选择栽培材料，这样不会产生特别复杂、以及伴随着高错误率的图基因组，对于育种也有更加实际的意义。

在鉴别结构变异时，该团队基于长读段测序数据即 HiFi 数据，增加了对于结构变异的检出效力。而以往基于短序列比对的结果，只能对单碱基变异和小片段插入的缺失进行鉴定。

此外，由于马铃薯采取无性繁殖、即用薯块进行繁殖的方式，这意味着它极少通过异交即与别的马铃薯杂交，来对结构变异进行清除。因此，马铃薯基因组中保留了较多的结构变异，这在其它异交作物中是不常见的。

另据悉，该团队主要关注马铃薯的结薯性状。在结实的过程中，马铃薯先是产生匍匐茎，然后在匍匐茎末端膨大形成薯块。而不结薯的马铃薯姊妹类群 Etuberosum，有着类似马铃薯匍匐茎的地下茎，不过是向上生长形成新的植株、并不产生薯块。

随后，该团队通过比较基因组分析，鉴定了薯块发育的身份基因，并且进行了功能验证。未来，随着人们对基因组理解的加深，更多的重要生物学性状有望通过多组学的方式被鉴定到。

“从头组装了 44 份二倍体马铃薯”

过去二十年间，基因组学大数据在驯化历史探究、功能基因研究、分子设计育种等领域展现了巨大的潜力，使得育种由传统的杂交组合方式、变革为更加高效的以基因组为指导的靶向设计育种。

而本研究从头组装了 44 份二倍体马铃薯、以及 2 份 Etuberosum 材料，为马铃薯薯块演化提供了新的见解，也为育种提供了新指导。

分析发现，马铃薯、不结薯的马铃薯姊妹类群 Etuberosum、以及近源物种番茄之间，以及马铃薯内部，都存在着如下广泛的物种树和基因树不一致现象，不完全谱系分选和物种间杂交都对这种不一致现象有贡献。这说明，马铃薯类群的演化历史非常复杂。

其还发现，马铃薯中 R 基因拷贝数，明显高于番茄和 Etuberosum。与种子繁殖植物相比，无性繁殖的马铃薯更容易受到病原菌的侵染，这可能促使了马铃薯扩张 R 基因数量以应对这种侵染。

此外，该团队还鉴定了栽培和野生马铃薯物种之间大量的结构变异，构建了高质量的变异图谱，为基于变异的精准育种和亲本系选择提供了宝贵资源。

综上，该研究为马铃薯家族 Petota 块茎的进化提供了重要见解，也为基于基因组设计的杂交马铃薯育种奠定了坚实基础，并构建了可被其它作物效仿的泛基因组学研究的可行框架。

下一步，针对马铃薯基因组，课题组将进行分型组装，以期构建出高质量的图基因组，从而对倒位的形成机制进行具体剖析。

2021 年，团队负责人曾表示，课题组计划在 15 年后，解决杂交土豆的系列问题，以实现全面产业化。其中，种子生产是最重要的环节之一。其还说道，肯定会最先在国内推广该技术。

中国有 18 亿亩田地，主要用来种植水稻、小麦和玉米，由于没有太多土地来种植大豆，因此中国每年进口约一亿吨大豆、以及两三千万吨的玉米和小麦。之所以进口大豆，是因为它提供的饲料蛋白，是动物饲料的重要组成部分。

而该团队正在培育的杂交土豆，有望成为饲料的专用品种。假如将来在华南推广杂交土豆时，冬闲地面积较大，那么就可把土豆做成饲料。如今，深圳在大鹏新区给了他们两千亩试验地。

认为，乡村振兴不能只靠农村，也要靠城市的科技支持。他说，在深圳做农业科技优势很大，当地支持人才非常给力，各种硬件也非常好，因此他非常鼓励更多有志之士来深圳搞农业科研。

参考资料：

1.Tang, D., Jia, Y., Zhang, J. et al. Genome evolution and diversity of wild and cultivated potatoes. Nature 606, 535–541 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04822-x

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-01419-2

3.https://facultyopinions.com/prime/742185779?key=Rw90AVdOhMJbXWK