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高通量表型組技術(shù)助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產(chǎn)量遺傳機制

2024/10/8

表型組學(xué)是指通過高通量技術(shù)對植物的性狀進行系統(tǒng)化、精準化的測量和分析。能夠結(jié)合基因組學(xué)等其他組學(xué)數(shù)據(jù)，深入揭示基因與表型之間的關(guān)系，有助于作物育種研究。雜種優(yōu)勢是指雜交子代在生長勢、生活力、繁殖力、抗逆性以及產(chǎn)量和品質(zhì)等方面表現(xiàn)出優(yōu)于雙親的特性，是生物界普遍存在的一種遺傳現(xiàn)象。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用雜種優(yōu)勢可以培育出更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物品種，為保障糧食安全和促進農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

高通量表型組技術(shù)助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產(chǎn)量遺傳機制

圖1 高通量表型組采集技術(shù)流程

2024年10月5日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（基因組所）黃三文、張春芝課題組聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊萬能課題組在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato”的研究論文，通過對二倍體雜交馬鈴薯“優(yōu)薯1號”F₂群體的大規(guī)模遺傳與多組學(xué)分析，解析了其產(chǎn)量與育性雜種優(yōu)勢產(chǎn)生的遺傳機理，克隆了對馬鈴薯育性雜種優(yōu)勢具有重要作用的顯性效應(yīng)基因PV1，為馬鈴薯雜交育種提供了寶貴的遺傳資源。

高通量表型組技術(shù)助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產(chǎn)量遺傳機制

圖2 文章研究思路

在前期研究中，黃三文團隊已經(jīng)建立了二倍體馬鈴薯雜種優(yōu)勢利用育種體系^[1,2]，但是雜種優(yōu)勢形成的遺傳機制尚不清楚。在該研究中，作者對雜種優(yōu)勢顯著的二倍體雜交種“優(yōu)薯1號”進行自交，創(chuàng)制了一份包含1064個單株的F₂分離群體，可通過組培長期保存，并進行多年多點重復(fù)評價，該群體是研究馬鈴薯雜種優(yōu)勢機理的理想群體。作者首先廣泛調(diào)查了該群體的多組學(xué)性狀，包括人工調(diào)查的產(chǎn)量相關(guān)性狀（株高、塊莖大小、塊莖數(shù)量等）、基于表型組學(xué)技術(shù)采集的性狀（塊莖高光譜、結(jié)構(gòu)光等）以及塊莖轉(zhuǎn)錄組與代謝組共20,382個性狀。通過遺傳與多組學(xué)分析，鑒定到25,770個QTL，并構(gòu)建了馬鈴薯系統(tǒng)遺傳學(xué)（Systems Genetics）調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。利用該網(wǎng)絡(luò)，作者快速高效地鑒定到調(diào)控該群體塊莖茄堿積累的轉(zhuǎn)錄因子GAME9，證明了這套遺傳網(wǎng)絡(luò)在馬鈴薯基因挖掘方面的潛力。

隨后，對鑒定到的所有QTL進行雜種優(yōu)勢效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，育性/塊莖產(chǎn)量與代謝物含量呈現(xiàn)出相反的遺傳效應(yīng)。控制產(chǎn)量和花粉育性的QTL主要呈現(xiàn)顯性效應(yīng)，即雜交種的表現(xiàn)優(yōu)于中親值（圖2a–c），而控制塊莖代謝物含量的QTL（mQTL）主要呈現(xiàn)隱性效應(yīng)，即雜交種中的含量低于中親值（圖2d）。進一步研究發(fā)現(xiàn)塊莖中淀粉（主要的大分子干物質(zhì)）含量與超過80%的小分子代謝物呈顯著負相關(guān)（圖2e），將淀粉作為表型檢測時，表現(xiàn)為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)（顯性/超顯性）的mQTLs比例顯著提高，這一現(xiàn)象可能與雜交種對資源/能量的高效或偏好利用有關(guān)。此外，作者還克隆了一個具有顯性雜種優(yōu)勢效應(yīng)的PV1基因，該基因能夠賦予雜交種更好的花粉活力以及結(jié)實率。

圖3 馬鈴薯產(chǎn)量與代謝物雜種優(yōu)勢遺傳解析

在本研究中，研究人員利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和表型組學(xué)（包括RGB成像、結(jié)構(gòu)光成像和高光譜成像）技術(shù)，鑒定了20,382個性狀和25,770個QTL。通過精準的表型數(shù)據(jù)采集和多組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析，科學(xué)家們能夠更好地理解馬鈴薯的遺傳復(fù)雜性。此外，研究人員將采集的全生育期馬鈴薯植株表型圖像上傳到華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高通量作物表型中心網(wǎng)站上（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物表型中心 (http://plantphenomics.hzau.edu.cn/usercrop/Potato/image/2022-potato)），供所有研究者免費使用。

綜上所述，該研究通過高通量的表型組學(xué)技術(shù)揭示馬鈴薯遺傳結(jié)構(gòu)，闡明了二倍體馬鈴薯雜交種“優(yōu)薯1號”雜種優(yōu)勢的遺傳機理，為馬鈴薯功能基因挖掘與雜交育種奠定了堅實的基礎(chǔ)。

基因組所博士后李大偉、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生耿澤棟為該論文的共同第一作者，基因組所黃三文院士、張春芝研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊萬能教授為該論文的通訊作者。該研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目資助。

[1] Zhang, C., Yang, Z., Tang D., Zhu, Y., Wang, P., Li, D., … & Huang S. (2021). Genome design of hybrid potato. Cell, 184, 3873-3883.e12.

[2] Li, D., Lu, X., Zhu, Y., Pan, J., Zhou, S., … & Huang S., Zhang. C. (2022). The multi-omics basis of potato heterosis. Journal of Integrative Plant Biology, 64(3), 671-687.

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