马铃薯是全球重要的粮食作物，但由于其同源四倍体的遗传结构和无性繁殖特性，导致育种周期长、易感病虫害，且运输保存成本高。近年来，基于二倍体自交系的种子繁殖为育种改良提供了新方向，但自交系的培育常受有害变异阻碍。因此，系统解析马铃薯的遗传特征对育种工作至关重要。

2025年1月22日，中国农业科学院深圳农业基因组所黄三文研究团队在国际顶级期刊《Nature》发表了题为“Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato”的研究论文。该研究构建了31个二倍体马铃薯种质的分型泛基因组，揭示了丰富的遗传多样性，为杂交马铃薯育种提供了新工具。

1. 马铃薯泛基因组图谱构建

研究团队选取了31份二倍体马铃薯种质（包括19个栽培种和10个野生种），结合PacBio HiFi和Hi-C测序技术，组装出60个单倍型。组装的contig N50达到12.25  Mb，BUSCO完整度为99.2%。通过PanGenome Graph Builder （PGGB）绘制了分型泛基因组图谱（PPG-v.1.0），并鉴定出365Mb的保守序列和2711Mb的可变序列，后者多为重复序列。

图1 马铃薯分型参考泛基因组

2. 转座元件（TEs）驱动结构变异（SVs）形成

研究分析了马铃薯泛基因组的SVs序列及其残存的侧翼序列（±100bp），结果发现，SVs相关的重复元件中有90.6%是TEs，33.8%的SVs两个断点有相同的TE类别，证实了TEs介导的重排（TEMR）引起的异位重组事件在SVs形成过程中的重要作用。研究还发现，由LTR/Gypsy介导的TEMR发生率高于LTR/Copia，且LTR/Gypsy-TEMR所形成的SVs更长。进一步分析两个纯合自交系及其杂合祖先基因组，在第5代自交系中发现了一个由LTR介导的4Mb倒位，但在它们的杂合祖先单倍型中未检测到这一倒位，提示TEMR可能对育种产生不可预测的影响。

图2 TE活性对马铃薯单倍型SV形成的驱动作用

3. 驯化过程提升马铃薯基因组杂合性

本研究通过杂合基因组的序列长度（GHSL）来评估二倍体个体两个单倍型的杂合度，GHSL定义为两个单倍型中非冗余变异所占的序列总长度。研究发现，29个种质基因组的GHSL平均约为93.8Mb，占单倍型基因组平均长度的12.5%。栽培种马铃薯的GHSL高于野生马铃薯，且PCA分析和系统发育分析均表明，栽培种马铃薯的单倍型分化更显著。这表明驯化过程中，马铃薯通过维持杂合性来规避有害变异的负面影响，体现了对杂种优势的充分利用。

图3 马铃薯的驯化增强了单倍型的分化

4. 有害SVs（dSVs）在马铃薯育种过程中的命运以及dSVs的破窗效应

研究对栽培种马铃薯的SVs和SNPs进行了分析，发现SVs在低等位基因频率类别中占比更高，且杂合的SVs数量多于纯合的SVs。排除自交系后，在剩余的二倍体马铃薯中平均可检测到843个dSVs，序列总长度为23.1Mb。杂合dSVs在野生马铃薯中占73%，在栽培马铃薯中占97%。栽培种中，dSVs多处于低频杂合状态，以减少选择压力。自交系dSVs数量比亲本少，它们在多代自交的过程中发生了多次重组，减少了dSVs的数量。因此，清除dSVs对于开发杂交马铃薯优良自交系至关重要。

在单个单倍型上，dSVs的数量和有害SNPs（dSNPs）的数量呈正相关。耦合状态的单倍型（含有焦点dSVs）上dSNPs数量显著多于排斥状态的单倍型（不含焦点dSVs），而且dSNPs更多地在靠近dSVs的位置积累。dSVs在同一个单倍型内倾向于形成簇，耦合单倍型焦点dSVs与最近的dSVs之间的距离小于其与排斥单倍型上最近的dSVs之间的距离。这种dSVs在同耦合单倍型上聚集的现象称为“破窗效应”。这种有害簇是马铃薯基因组的重要特征，可能是由于重组减少导致清除不足造成的，因此，靶向清除有害变异是马铃薯育种的关键。

图4 dSVs在马铃薯驯化和近交系发育中的命运

5. 理想单倍型的基因组设计

研究提出了理想马铃薯单倍型（IPHs）的概念，基于本研究构建的分型泛基因组图PPG-v.1.0，以两个杂种优势群为基础（来自STN和GON组的9个品种与自交系A6-26（杂种优势群A），以及来自PHU组的8个品种与自交系E4-63（杂种优势群E）），通过计算机模拟重组事件，分析dSVs和dSNPs的分布，确定IPHs的最佳组合。结果发现，IPHs-A和IPHs-E的所有dSVs都可以被移除，dSNPs可以分别减少32.4%和50.3%。然而，仅依靠自然重组可能不足以获得理想的单倍型，靶向重组、基因编辑以及合成生物学等新技术的结合，或许能为马铃薯育种提供新的方向。

图5 基于分型马铃薯泛基因组图设计的IPHs

总结

本研究通过构建马铃薯的分型泛基因组，揭示了其结构变异形成的动态机制以及在驯化过程中有害变异的发展变化，突显了清除有害变异在马铃薯杂交育种中的关键作用。未来结合其它的遗传学技术，有望获得理想马铃薯单倍型，为马铃薯的育种改良奠定了基础。

参考文献：

Cheng L, et al. Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato. Nature. 2025.