中新網(wǎng)西安4月18日電 (記者 阿琳娜)記者18日從西安交通大學(xué)獲悉，該校智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電信學(xué)部自動(dòng)化學(xué)院聯(lián)合德國(guó)馬普植物育種研究所、慕尼黑大學(xué)等多家國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建首個(gè)單倍型解析的四倍體馬鈴薯泛基因組，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature》期刊。這項(xiàng)研究推動(dòng)了馬鈴薯基因組研究的理論與技術(shù)創(chuàng)新，解碼了歐洲四倍體馬鈴薯種群85%的遺傳變異，為智慧育種與全球糧食安全提供了關(guān)鍵組學(xué)資源。
馬鈴薯起源、馴化與早期育種概況。西安交通大學(xué)供圖 據(jù)了解，馬鈴薯起源于南美洲安第斯高地，約一萬(wàn)年前被馴化，16世紀(jì)中期由西班牙航海者引入歐洲，隨后傳播至全球，成為最重要的塊莖類糧食作物。目前，全球超13億人以馬鈴薯為主食，而中國(guó)已成為全球最大的生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量近一億噸。馬鈴薯優(yōu)良品種的選育對(duì)保障中國(guó)乃至全球糧食安全都具有重要意義。
然而，商業(yè)化馬鈴薯多是同源四倍體：簡(jiǎn)單地說(shuō)，每個(gè)細(xì)胞基因組中每條染色體序列都有孿生兄弟般相似的四個(gè)拷貝(A1/A2/A3/A4)。由于區(qū)別并拼裝每份拷貝序列(即基因組分型重建)一直是科學(xué)界的全球性挑戰(zhàn)難題，對(duì)四倍體馬鈴薯遺傳信息的認(rèn)知仍存在巨大空白。最近，科學(xué)家通過(guò)構(gòu)建遺傳圖譜成功破譯了個(gè)別品種基因組，但這僅相當(dāng)于拿到了一塊拼圖的些許碎片，四倍體馬鈴薯種群水平的遺傳多樣性全景仍不清晰。基因組復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)以及相關(guān)理論認(rèn)識(shí)的缺乏使雜交選育充滿挑戰(zhàn)。
為了解析四倍體馬鈴薯種群遺傳多樣性、追溯其育種歷史，為數(shù)智化育種提供分子水平科學(xué)依據(jù)，科研團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了泛基因組研究。
科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了同源四倍體基因組分型重建方法——tetraDecoder，解決了分型挑戰(zhàn)。該方法解除了對(duì)遺傳圖譜的依賴，降低了測(cè)序技術(shù)門檻，僅基于參考基因組、三代長(zhǎng)片段全基因組測(cè)序技術(shù)以及染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，構(gòu)建序列互作圖譜，采用friend-of-friend聚類算法實(shí)現(xiàn)基因組分型，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)其分型精度超98%。
同源多倍體基因組分型重建新方法——tetraDecoder。西安交通大學(xué)供圖 科研團(tuán)隊(duì)篩選了10個(gè)四倍體馬鈴薯(源于1810年～1932年)，重建了40套高質(zhì)量單倍型基因組。馬鈴薯譜系分析表明這些歷史性品種是歐洲馬鈴薯育種史上的核心材料，廣泛用于雜交選育現(xiàn)代品種，代表了歐洲栽培種馬鈴薯的遺傳多樣性，可為評(píng)估現(xiàn)代品種的遺傳潛力提供重要參考。
科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)單倍型解析的四倍體馬鈴薯泛基因組，解碼了種群85%的遺傳變異。分析發(fā)現(xiàn)：(1)基因組中單倍型序列差異極其顯著(約2%)。團(tuán)隊(duì)推測(cè)該現(xiàn)象與野生種質(zhì)大規(guī)模基因滲入有關(guān)。序列多樣性為馬鈴薯適應(yīng)環(huán)境奠定了遺傳基礎(chǔ)，也為分子生物學(xué)研究增加了復(fù)雜性。(2)基因組中特異單倍型數(shù)量非常有限。在40套單倍型基因組中，任意10-kb窗口內(nèi)平均僅9個(gè)特異單倍型。這一現(xiàn)象恰如廚房灶臺(tái)上擺滿了調(diào)味瓶，但里面非糖即鹽，味道有限。團(tuán)隊(duì)推測(cè)這源于馬鈴薯在馴化、傳播與環(huán)境適應(yīng)過(guò)程中所經(jīng)歷的多次遺傳瓶頸。“超高雜合度+有限單倍型”遺傳多樣性特征為馬鈴薯現(xiàn)代育種指明了方向：追求產(chǎn)量和品質(zhì)同時(shí)，應(yīng)注重(如引入外源基因或利用基因組編輯等技術(shù))提升單倍型多樣性，以增強(qiáng)其抗病性、抗逆性和環(huán)境適應(yīng)能力。
基于單倍型圖譜的基因組分型新策略。西安交通大學(xué)供圖 科研團(tuán)隊(duì)還提出了一種基于單倍型圖譜的基因組分型新策略，可更高效、更經(jīng)濟(jì)解決分型難題。歷史性馬鈴薯品種基因組中單倍型有限，而馬鈴薯通過(guò)塊莖傳播、基因組重組次數(shù)少，這意味著現(xiàn)代品種基因組存在大片段高度保守序列。結(jié)合這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)，利用tetraDecoder解析的40套歷史性單倍型基因組構(gòu)建單倍型圖并以其建立參考系，通過(guò)短讀長(zhǎng)序列比對(duì)和圖遍歷算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可以更高效、更經(jīng)濟(jì)地重建現(xiàn)代品種的單倍型基因組。以當(dāng)今仍用來(lái)炸薯?xiàng)l的‘Russet Burbank’(源于1908年)等品種為例驗(yàn)證了新策略的有效性，其花費(fèi)僅為tetraDecoder方法的5%。
以上研究突破了同源多倍體基因組分型關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，其中單倍型圖分型策略使分析成本降低95%；構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)單倍型解析的四倍體馬鈴薯泛基因組，系統(tǒng)描繪了其遺傳多樣性藍(lán)圖，揭示了“超高雜合度+有限單倍型”遺傳多樣性特征，豐富了基因組理論，填補(bǔ)了領(lǐng)域研究空白。成果不僅為馬鈴薯基因組研究提供了新視角，還為其現(xiàn)代育種指明了重要方向。(完)
（原標(biāo)題：中外聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建國(guó)際首個(gè)單倍型解析的四倍體馬鈴薯泛基因組）
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