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黄三文团队在Nature发表番茄和马铃薯泛基因组文章为遗传育种提供新思路

2022年6月8日,Nature杂志背靠背在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队两项重要研究成果,这些突破为实现泛基因组在马铃薯、番茄育种的应用提供了新思路。

 

番茄泛基因组

 

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全基因组关联研究中遗传力丢失是复杂生物性状遗传分析中的一个主要问题。所谓遗传力丢失,就是很多性状背后的遗传因素仍然未知。解决这个问题的办法就是找出所有的因果遗传变异,并研究其在性状变异中的作用,该问题的解决将有助于理解复杂性状的遗传机制,为相关的育种工作提供理论支持。

 

本研究对32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,同时整合已公布的结构变异和短片段测序信息,构建了来自838个番茄基因组的泛基因组图谱。该泛基因组图谱用于20323个基因表达和代谢物性状的全基因组关联研究分析和遗传力估计。SV是最主要的遗传力来源,本研究发现,利用单一参考基因组对SV的检测能力有限,而利用泛基因组图谱的结构变异,可以将估计的遗传力提高24%。此外,研究人员利用泛基因组图谱的结构变异,通过解决等位基因和位点的异质性导致的全基因组关联分析(GWAS)检测能力下降的问题,提高了GWAS的检测能力和识别潜在农艺重要性状的遗传因子的能力。以影响番茄产量和糖度的重要代谢物可溶性固形物为例,本研究共鉴定出了2个潜在的与其含量高度相关的SV。新发现的结构变异将通过标记辅助选择和基因组选择促进番茄的遗传改良。本研究推进了对复杂性状遗传力的理解,并证明了泛基因组图谱在作物育种中的力量。

 

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马铃薯泛基因组

 

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马铃薯(Solanum tuberosum L.)是世界上最重要的非谷类粮食作物,绝大多数商业种植的品种都是高度杂合的四倍体。基于种子的二倍体杂交育种的进展有可能给未来的马铃薯育种和生产带来革命性的变化。到目前为止,对野生和栽培地种马铃薯基因组进化和多样性的研究相对较少,这限制了其多样性在马铃薯育种中的应用。

 

本研究收集了24份野生和20份栽培马铃薯的44个高质量二倍体基因组。系统基因组关系的广泛不一致性表明马铃薯进化的复杂性。研究发现,与密切相关的种子繁殖的茄科作物相比,马铃薯基因组大大扩展了其抗病基因库,这表明以马铃薯为基础的繁殖策略对马铃薯基因组进化的影响。通过马铃薯与姊妹类群的多组学比较分析,研究人员鉴定出一个可能在薯块发育的起始时期发挥关键作用的转录因子,该基因与块茎移动诱导信号SP6A相互作用,指导薯块的形成。此外,本研究还鉴定出561433个高置信度SV结构变异,首次构建了栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱,为改良自交系和防止潜在的连锁阻力提供了参考。本研究将促进马铃薯杂交育种,丰富马铃薯作为全球主要粮食作物的进化和生物学的认识。

 

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泛基因组(pan-genome),即某一物种全部基因的总称。泛基因组包括核心基因集(所有样本中都存在的基因)、非必需基因集(部分样品中存在的基因),以及特有基因(仅在某一样品中存在)。针对物种内具有代表性性状的个体材料进行较高深度测序,组装,构建泛基因组图谱,可以获得该物种完整的遗传信息。

 

研究发现,应用泛基因组研究所检测SNP位点数量几乎是其他方法的2倍,且覆盖了绝大多数重测序所能检测到的SNP位点(>96%),变异位点准确率高达99%。同时,基于泛基因组研究,可全面、快速、准确地检测到结构变异区域(SV),尤其是传统重测序方法检测不到的高变异区域,广泛的结构变异的鉴定和研究对解析物种特异性状机理提供便利。

 

 

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