Nat. Genet. | 重大突破黄三文团队解析马铃薯自交衰退的遗传基础

2019年1月14日，黄三文研究员团队在 Nature Genetics在线发表了题为“The genetic basis of inbreeding depression in potato”的研究论文，解析了马铃薯自交衰退遗传机制，这是“优薯计划”实施以来取得的重大理论突破。

自然界中70%的马铃薯种质资源为二倍体，其丰富的遗传变异为“优薯计划”的实施提供了基础。但是，自交不亲和与自交衰退限制了自交系的培育。在之前的研究中，黄三文团队通过基因组编辑的方法克服了自交不亲和的问题（Ye et al., Nature Plants, 2018 DOI: 10.1038/s41477-018-0218-6），扫清了“优薯计划”的第一道障碍。但是，作为长期无性繁殖的异交作物，马铃薯具有严重的自交衰退，主要表现在生活力下降、育性变差、产量降低等。

在该研究中，研究人员重点解析了马铃薯自交衰退的遗传基础。有害突变是导致自交衰退的主要原因。研究人员通过对151份二倍体马铃薯进行重测序，鉴定了全基因组范围内共344,831个有害突变。这些有害突变在近着丝粒区域富集，因此很难通过遗传重组将它们全部清除。进一步分析发现，任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11％，说明马铃薯中的有害突变具有品系特异性，因此，可以通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态，获得具有杂种优势的F1杂交种。

为了鉴定这些有害突变的遗传效应，研究人员构建了3个自交群体，并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法，在三个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域，暗示这些区域含有大效应的有害突变。结合表型分析，该研究鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。研究人员对其中的一个致死突变ar1 进行了图位克隆和功能验证，发现它控制胚的发育。等位基因频率分析发现，ar1 在马铃薯群体中是一个稀有突变。这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域，说明可以通过遗传重组将它们有效清除。

本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础，也为解析其它无性繁殖作物的自交衰退提供了借鉴。

该论文的第一作者为张春芝博士，云南师范大学博士生王培和基因组所硕士生唐蝶为本文的共同第一作者，通讯作者为黄三文研究员。本研究由农业农村部、中国农业科学院“重大产出科研选题”，中国农科院科技创新工程、国家自然科学基金委、云南省高端人才以及深圳市配套经费的资助。