高通量表型组技术助力马铃薯育种突破：揭示雄性育性与产量遗传机制
表型组学是指通过高通量技术对植物的性状进行系统化、精准化的测量和分析。能够结合基因组学等其他组学数据，深入揭示基因与表型之间的关系，有助于作物育种研究。杂种优势是指杂交子代在生长势、生活力、繁殖力、抗逆性以及产量和品质等方面表现出优于双亲的特性，是生物界普遍存在的一种遗传现象。在农业生产中，利用杂种优势可以培育出更高产、更优质的农作物品种，为保障粮食安全和促进农业发展发挥重要作用。
图1 高通量表型组采集技术流程
2024年10月5日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（基因组所）黄三文 、张春芝课题组联合华中农业大学杨万能课题组 在Nature Communications Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato ”的研究论文，通过对二倍体杂交马铃薯“优薯1号”F2 群体的大规模遗传与多组学分析，解析了其产量与育性杂种优势产生的遗传机理，克隆了对马铃薯育性杂种优势具有重要作用的显性效应基因PV1 ，为马铃薯杂交育种提供了宝贵的遗传资源。
图2 文章研究思路
在前期研究中，黄三文团队已经建立了二倍体马铃薯杂种优势利用育种体系[1,2] ，但是杂种优势形成的遗传机制尚不清楚。在该研究中，作者对杂种优势显著的二倍体杂交种“优薯1号”进行自交，创制了一份包含1064个单株的F2 分离群体，可通过组培长期保存，并进行多年多点重复评价，该群体是研究马铃薯杂种优势机理的理想群体。作者首先广泛调查了该群体的多组学性状，包括人工调查的产量相关性状（株高、块茎大小、块茎数量等）、基于表型组学技术采集的性状（块茎高光谱、结构光等）以及块茎转录组与代谢组共20,382个性状。通过遗传与多组学分析，鉴定到25,770个QTL，并构建了马铃薯系统遗传学 （Systems Genetics）调控网络。利用该网络，作者快速高效地鉴定到调控该群体块茎茄碱积累的转录因子GAME9，证明了这套遗传网络在马铃薯基因挖掘方面的潜力。 随后，对鉴定到的所有QTL进行杂种优势效应分析发现，育性/块茎产量与代谢物含量呈现出相反的遗传效应。控制产量和花粉育性的QTL主要呈现显性效应，即杂交种的表现优于中亲值（图2a–c），而控制块茎代谢物含量的QTL（mQTL）主要呈现隐性效应，即杂交种中的含量低于中亲值（图2d）。进一步研究发现块茎中淀粉（主要的大分子干物质）含量与超过80%的小分子代谢物呈显著负相关（图2e），将淀粉作为表型检测时，表现为正向杂种优势效应（显性/超显性）的mQTLs比例显著提高，这一现象可能与杂交种对资源/能量的高效或偏好利用有关。此外，作者还克隆了一个具有显性杂种优势效应的PV1 基因，该基因能够赋予杂交种更好的花粉活力以及结实率。
在本研究中，研究人员利用转录组学、代谢组学和表型组学（包括RGB成像、结构光成像和高光谱成像）技术 ，鉴定了20,382个性状和25,770个QTL。通过精准的表型数据采集和多组学数据整合分析 ，科学家们能够更好地理解马铃薯的遗传复杂性。此外，研究人员将采集的全生育期马铃薯植株表型图像上传到华中农业大学高通量作物表型中心网站上（华中农业大学作物表型中心 (http://plantphenomics.hzau.edu.cn/usercrop/Potato/image/2022-potato)），供所有研究者免费使用。 综上所述，该研究通过高通量的表型组学技术揭示马铃薯遗传结构，阐明了二倍体马铃薯杂交种“优薯1号”杂种优势的遗传机理，为马铃薯功能基因挖掘与杂交育种奠定了坚实的基础。 基因组所博士后李大伟 、华中农业大学博士生耿泽栋 为该论文的共同第一作者，基因组所黄三文院士 、张春芝研究员 、华中农业大学杨万能教授 为该论文的通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、博士后创新人才支持计划等项目资助。 [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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