泛基因组赋能未来作物育种

2022-06-13 09:59来源: 中国科学报

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  ■记者 李晨

  泛基因组是一个物种内所有基因组信息的总和,它比单一参考基因组涵盖了更多的遗传多样性。如何利用作物泛基因组培育下一代良种,是科学家关心的课题。

  《自然》近日在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所(以下简称基因组所)所长黄三文团队有关泛基因组的两项研究成果。

  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“丢失的遗传力”,为解析生物复杂性状的遗传机制提供了新思路。论文评审专家认为,“这项工作是对图泛基因组概念最全面的分析”“图泛基因组将可能成为基因组分析和作物基因组育种的标准,在这个意义上,这篇论文是奠基性的”。

  另一篇论文中,他们首次解析了二倍体马铃薯的泛基因组,研究了茄科茄属的物种进化,破解了马铃薯如何结薯的分子机制。《自然》同期发表的观点文章指出,组装数量如此之多的异交和高杂合马铃薯高质量基因组,是一项非凡的成就。泛基因组全面鉴定了参与重要生物学过程的基因,将赋能马铃薯育种。

  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。比如,任意两个番茄所含有的基因是不完全相同的,基因不同可能导致口感不同。”论文通讯作者黄三文告诉《中国科学报》,把一个物种所有的基因都找到,并按照顺序排列,就形成了泛基因组。而图泛基因组是借助数学和计算机中被称为图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》,泛基因组比单一参考基因组更加准确和详尽地代表了整个物种的遗传多样性,借助泛基因组做研究不容易漏掉重要的基因和信息。

  此前有很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。

  周姚说,他们首先利用高准确率的三代测序技术重新组装了番茄的骨架基因组,其组装质量在完整性、连续性和准确性等指标上均优于之前的版本;随后选取了31份具有代表性的番茄材料进行了组装,并鉴定出相关的遗传变异;在整合已公布的结构变异和短片段测序信息后,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认为,图泛基因组资源对番茄遗传和基因组研究非常重要,促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。

  另一论文的第一作者、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,他们挑选了地方栽培种、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进行了重测序和基因注释,最终完成了第一个高质量的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分析结果令人印象深刻。这项研究展示了基于广泛选材的“马铃薯组”和“类马铃薯组”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。

  找回“丢失的遗传力”

  黄三文告诉记者,科学家用“遗传力”这个概念表示一种作物的性状受遗传调控的比例。遗传力越高,说明性状的决定过程中遗传因素占比越大,环境因素占比越小。

  在未来的作物育种中,基因组选择技术将被广泛应用。当番茄还是幼苗的时候,就对它的基因组进行测序,以此来预测它是否抗病、产量和口味如何等。

  然而,现在的预测还不是很准确。“这是因为调控上述复杂性状的基因有很多,有些基因的作用明显,其遗传力容易被检测到;而另一些基因的作用比较微弱,这些基因难以检测到的遗传力被称为‘丢失的遗传力’。”黄三文说。

  长期从事数量遗传学研究的西湖大学教授杨剑告诉《中国科学报》,“遗传力丢失”是一个经典的数量遗传学问题,即通过遗传标记估计的遗传力及通过全基因组关联分析发现的所有相关基因贡献的遗传力的总和,均低于实际遗传力。它不是局限在番茄里,而是广泛存在于各个物种中。这篇论文“很好地利用番茄这种作物回答了这个广义的普遍性问题”。

  “找回这些丢失的遗传力,将有助于理解复杂性状的遗传机制。”周姚说,遗传力是研究基因型与表型相关性的基础。

  论文共同第一作者、基因组所博士研究生张智洋介绍,此前,在人类中遗传力丢失问题研究最为丰富。但受限于技术,这些研究主要关注单核苷酸变异与表型之间的联系,而忽视了更多隐藏的大结构变异对表型的影响。

  由于番茄的遗传资源丰富,其驯化历史、表达调控及风味代谢方面都已进行了相关研究,为进一步研究遗传力丢失奠定了基础。

  论文共同第一作者、基因组所科研助理鲍志贵说,通过构建番茄图泛基因组,他们的研究准确鉴定了番茄基因组中的结构变异,并发现大的结构变异是遗传力丢失的关键原因之一。与利用单一参考基因组相比,基于图泛基因组的遗传变异可将估计的遗传力提高24%,展现了图泛基因组在找回“丢失的遗传力”上的重要作用。

  他们进一步精心构建了一个包含近2.1万个结构变异的数据集。如果利用该数据集设计育种芯片,评估基因组选择的准确率可能超过利用全部的单核苷酸多态性。

  “结构变异的神秘面纱被揭开了,它们才是番茄中某些基因表达性状的这辆遗传力‘汽车’的‘司机’,发挥着主导作用,而简单变异可以说是‘乘客’。”杨剑说,这篇论文让大家更加重视对结构变异的研究。

  破解结薯密码培育新“优薯”

  作为世界第三大主粮作物,传统马铃薯栽培以四倍体为主,依靠薯块无性繁殖。然而,四倍体遗传分析复杂,育种过程漫长;薯块运输成本高,易感染病虫害。

  为彻底打破产业发展中的障碍,2017年“优薯计划”启动,旨在用二倍体替代四倍体马铃薯,用杂交种子替代薯块繁殖,对马铃薯育种和繁殖方式进行颠覆性创新。2021年,《细胞》发表了黄三文团队培育的第一代二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。

  上海师范大学生命科学学院教授黄学辉告诉《中国科学报》,作为优薯计划的后续,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关键。

  “马铃薯种质资源丰富,自然界中70%的马铃薯是二倍体,其中大部分是野生材料。充分利用这些资源中的优异性状,有利于加快马铃薯的遗传改良。”黄三文说,目前已发表的马铃薯基因组序列只捕获马铃薯有限的生物多样性,不足以全面了解马铃薯基因组,从而用于育种指导。

  唐蝶介绍,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)的两个种进行基因组的组装和注释。

  Etuberosum是马铃薯的近缘物种,其植株外形和马铃薯非常相似,也会形成地下分枝,并向上生长发育成新的植株,不会产生薯块;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。”论文共同第一作者、基因组所博士后贾玉鑫说。

  通过对上述三者的多组学比较分析,该团队鉴定到一个可能在薯块发育过程中发挥关键作用的TCP转录因子,并创制了该转录因子的基因纯合缺失突变体。表型观察发现,相比于野生型,突变体匍匐茎顶端无法正常膨大形成薯块,转而发育成侧枝。“这证明该基因在薯块发育的起始时期发挥了关键作用。”论文共同第一作者、中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员张金喆说。该基因被命名为薯块身份基因。

  论文共同第一作者、基因组所博士生李宏博介绍,他们进一步发现栽培马铃薯内部共线性缺失现象,说明栽培马铃薯材料中广泛的遗传多样性。马铃薯基因组中存在很多大的结构变异,而马铃薯的无性繁殖方式很难将这些结构变异清除出去。

  黄学辉说,该团队借助高质量马铃薯泛基因组获得了一些重要的基因功能线索。“优良的变异要怎样聚合到新品种中?如何优中选优?这份成果获得的大量遗传多样性信息将对未来二倍体马铃薯改良产生重要作用。”

  瑞典斯德哥尔摩大学生态、环境与植物科学系Juanita Gutirrez-Valencia和Tanja Slotte在《自然》同期发表的观点文章中说,该研究大大扩展了马铃薯的基因组资源,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。该研究提供的组学信息资源将助力马铃薯基因组学辅助育种。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-022-04822-x

  https://doi.org/10.1038/s41586-022-04808-9

  《中国科学报》 (2022-06-13 第1版 要闻)

[责任编辑: 武玥彤 ]
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