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解析马铃薯自交衰退的遗传基础———“优薯计划”取得重大理论突破

2019-01-17  点击:[]

 

2019114日,千亿qy980_www.qy980.com_千亿国际娱乐唯一【认证】官网马铃薯科学研究院博士后张春芝、博士研究生王培作为第一作者,以“The genetic basis of inbreeding depression in potato”为题在国际顶级植物期刊《自然遗传(Nature Genetics)》(影响因子27.125)发表了创新性研究论文。

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物。与其它谷物类粮食作物不同,马铃薯是依靠薯块繁殖的同源四倍体物种。隐性有害等位基因隐藏在高度杂合的四倍体基因组中,使得优良等位基因很难聚合在一起,这是导致马铃薯育种周期长的主要原因。一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植,如美国的Russet Burbank1902年育成)和荷兰的Bintje1904年育成)。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的,至今已经种植了近60年。马铃薯产业面临的另外一个挑战是薯块繁殖,存在繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。为了彻底打破产业发展中的障碍,在农业农村部和深圳市的支持下,千亿qy980特聘教授、马铃薯科学研究院院长、中国农业科学院农业基因组研究所所长黄三文研究员联合国内外优势单位发起了“优薯计划”,即用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的绿色革命,用二倍体替代四倍体,并用杂交种子替代薯块,对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。

自然界中70%的马铃薯种质资源为二倍体,其丰富的遗传变异为“优薯计划”的实施提供了基础。但是,自交不亲和与自交衰退限制了自交系的培育。在之前的研究中,该团队成员通过基因组编辑的方法克服了自交不亲和的障碍。在本研究中,研究人员重点解析了马铃薯自交衰退的遗传机制。有害突变是导致自交衰退的主要原因。研究人员通过对151份二倍体马铃薯进行重测序,鉴定了全基因组范围内共344,831个有害突变。这些有害突变在近着丝粒区域富集,因此很难通过遗传重组将它们全部清除。进一步分析发现,任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11%,说明马铃薯中的有害突变具有品系特异性,可以通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态,获得具有杂种优势的F1杂交种。

为了鉴定这些有害突变的遗传效应,研究人员构建了3个自交群体,并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法,在三个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域,暗示这些区域含有大效应的有害突变。结合表型分析,鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。研究人员对其中的一个致死突变ar1进行了图位克隆和功能验证,发现它控制胚的发育。等位基因频率分析发现,ar1在马铃薯群体中是一个稀有突变。有意思的是这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域,说明是可以通过遗传重组将它们有效清除的。

本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础,也为解析其它无性繁殖作物的自交衰退提供了借鉴。通讯作者为黄三文研究员,马铃薯科学研究院李灿辉团队,尚轶团队参与本研究。该研究得到了云南省高端科技人才引进计划、国家自然科学基金、千亿qy980_www.qy980.com_千亿国际娱乐唯一【认证】官网、中国农业科学院、深圳市和大鹏区人民政府的资助,同时得到了云南英茂现代农业集团有限公司的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-018-0319-1



(生命科学学院、马铃薯科学研究院供稿)

 

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