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                  解析馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎———“優薯計劃”取得重大理論突破

                  2019-01-17  點擊:[]

                   

                  2019114日,云南師范大學馬鈴薯科學研究院博士后張春芝、博士研究生王培作為第一作者,以“The genetic basis of inbreeding depression in potato”為題在國際頂級植物期刊《自然?遺傳(Nature Genetics)》(影響因子27.125)發表了創新性研究論文。

                  馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物。與其它谷物類糧食作物不同,馬鈴薯是依靠薯塊繁殖的同源四倍體物種。隱性有害等位基因隱藏在高度雜合的四倍體基因組中,使得優良等位基因很難聚合在一起,這是導致馬鈴薯育種周期長的主要原因。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植,如美國的Russet Burbank1902年育成)和荷蘭的Bintje1904年育成)。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的,至今已經種植了近60年。馬鈴薯產業面臨的另外一個挑戰是薯塊繁殖,存在繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等問題。為了徹底打破產業發展中的障礙,在農業農村部和深圳市的支持下,我校特聘教授、馬鈴薯科學研究院院長、中國農業科學院農業基因組研究所所長黃三文研究員聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”,即用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產業的綠色革命,用二倍體替代四倍體,并用雜交種子替代薯塊,對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創新。

                  自然界中70%的馬鈴薯種質資源為二倍體,其豐富的遺傳變異為“優薯計劃”的實施提供了基礎。但是,自交不親和與自交衰退限制了自交系的培育。在之前的研究中,該團隊成員通過基因組編輯的方法克服了自交不親和的障礙。在本研究中,研究人員重點解析了馬鈴薯自交衰退的遺傳機制。有害突變是導致自交衰退的主要原因。研究人員通過對151份二倍體馬鈴薯進行重測序,鑒定了全基因組范圍內共344,831個有害突變。這些有害突變在近著絲粒區域富集,因此很難通過遺傳重組將它們全部清除。進一步分析發現,任意兩份二倍體材料之間相同的有害突變僅為11%,說明馬鈴薯中的有害突變具有品系特異性,可以通過精心設計的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態,獲得具有雜種優勢的F1雜交種。

                  為了鑒定這些有害突變的遺傳效應,研究人員構建了3個自交群體,并開發了一套不依賴于親本的基因分型方法。基于該方法,在三個群體中鑒定了15個極端偏分離的區域,暗示這些區域含有大效應的有害突變。結合表型分析,鑒定了5個純合致死位點以及4個影響長勢的位點。研究人員對其中的一個致死突變ar1進行了圖位克隆和功能驗證,發現它控制胚的發育。等位基因頻率分析發現,ar1在馬鈴薯群體中是一個稀有突變。有意思的是這些大效應的有害突變主要位于重組率比較高的區域,說明是可以通過遺傳重組將它們有效清除的。

                  本研究為二倍體馬鈴薯分子設計育種提供了理論基礎,也為解析其它無性繁殖作物的自交衰退提供了借鑒。通訊作者為黃三文研究員,馬鈴薯科學研究院李燦輝團隊,尚軼團隊參與本研究。該研究得到了云南省高端科技人才引進計劃、國家自然科學基金、云南師范大學、中國農業科學院、深圳市和大鵬區人民政府的資助,同時得到了云南英茂現代農業集團有限公司的支持。

                  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41588-018-0319-1



                  (生命科學學院、馬鈴薯科學研究院供稿)

                   

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