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高通量表型組技術助力馬鈴薯育種突破：揭示雄性育性與產量遺傳機制
表型組學是指通過高通量技術對植物的性狀進行系統化、精準化的測量和分析。能夠結合基因組學等其他組學數據，深入揭示基因與表型之間的關系，有助于作物育種研究。雜種優勢是指雜交子代在生長勢、生活力、繁殖力、抗逆性以及產量和品質等方面表現出優于雙親的特性，是生物界普遍存在的一種遺傳現象。在農業生產中，利用雜種優勢可以培育出更高產、更優質的農作物品種，為保障糧食安全和促進農業發展發揮重要作用。
圖1 高通量表型組采集技術流程
2024年10月5日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（基因組所）黃三文 、張春芝課題組聯合華中農業大學楊萬能課題組 在Nature Communications 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“優薯1號”F2 群體的大規模遺傳與多組學分析，解析了其產量與育性雜種優勢產生的遺傳機理，克隆了對馬鈴薯育性雜種優勢具有重要作用的顯性效應基因PV1 ，為馬鈴薯雜交育種提供了寶貴的遺傳資源。
圖2 文章研究思路
在前期研究中，黃三文團隊已經建立了二倍體馬鈴薯雜種優勢利用育種體系[1,2] ，但是雜種優勢形成的遺傳機制尚不清楚。在該研究中，作者對雜種優勢顯著的二倍體雜交種“優薯1號”進行自交，創制了一份包含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評價，該群體是研究馬鈴薯雜種優勢機理的理想群體。作者首先廣泛調查了該群體的多組學性狀，包括人工調查的產量相關性狀（株高、塊莖大小、塊莖數量等）、基于表型組學技術采集的性狀（塊莖高光譜、結構光等）以及塊莖轉錄組與代謝組共20,382個性狀。通過遺傳與多組學分析，鑒定到25,770個QTL，并構建了馬鈴薯系統遺傳學 （Systems Genetics）調控網絡。利用該網絡，作者快速高效地鑒定到調控該群體塊莖茄堿積累的轉錄因子GAME9，證明了這套遺傳網絡在馬鈴薯基因挖掘方面的潛力。 隨后，對鑒定到的所有QTL進行雜種優勢效應分析發現，育性/塊莖產量與代謝物含量呈現出相反的遺傳效應。控制產量和花粉育性的QTL主要呈現顯性效應，即雜交種的表現優于中親值（圖2a–c），而控制塊莖代謝物含量的QTL（mQTL）主要呈現隱性效應，即雜交種中的含量低于中親值（圖2d）。進一步研究發現塊莖中淀粉（主要的大分子干物質）含量與超過80%的小分子代謝物呈顯著負相關（圖2e），將淀粉作為表型檢測時，表現為正向雜種優勢效應（顯性/超顯性）的mQTLs比例顯著提高，這一現象可能與雜交種對資源/能量的高效或偏好利用有關。此外，作者還克隆了一個具有顯性雜種優勢效應的PV1 基因，該基因能夠賦予雜交種更好的花粉活力以及結實率。
在本研究中，研究人員利用轉錄組學、代謝組學和表型組學（包括RGB成像、結構光成像和高光譜成像）技術 ，鑒定了20,382個性狀和25,770個QTL。通過精準的表型數據采集和多組學數據整合分析 ，科學家們能夠更好地理解馬鈴薯的遺傳復雜性。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業大學高通量作物表型中心網站上（華中農業大學作物表型中心 (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技術揭示馬鈴薯遺傳結構，闡明了二倍體馬鈴薯雜交種“優薯1號”雜種優勢的遺傳機理，為馬鈴薯功能基因挖掘與雜交育種奠定了堅實的基礎。 基因組所博士后李大偉 、華中農業大學博士生耿澤棟 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 、華中農業大學楊萬能教授 為該論文的通訊作者。該研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、國家自然科學基金、中國農科院科技創新工程、博士后創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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