和水稻、小麥、玉米不同，作為營養全面的世界第三大主糧作物，百余年來馬鈴薯并不是靠種子種植的，而是依靠地下的塊莖，即種薯進行無性繁殖。

“馬鈴薯普通栽培種是同源四倍體，這使得馬鈴薯的遺傳育種十分困難，品種改良周期漫長。”中國農科院深圳農業基因組研究所(以下簡稱基因組所)所長黃三文告訴《中國科學報》。

9月28日，《自然—遺傳》在線發表了黃三文團隊首次測序完成的雜合二倍體馬鈴薯基因組。該研究成果不僅提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組、最全面的馬鈴薯單體型比較分析，而且為解決馬鈴薯自交衰退問題、設計馬鈴薯二倍體雜交種子奠定了基礎。

9年破解90%

目前，優質馬鈴薯新品種并不多，市場上售賣的馬鈴薯和幾十年前人們吃的是同樣的品種。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。黃三文說，馬鈴薯普通栽培種雜交后代性狀分離嚴重，導致其育種研究困難。解決方法就是用雜交種子代替種薯。

“要實現用雜交種子種植馬鈴薯，就必須破解馬鈴薯單倍體、二倍體和四倍體基因組。”黃三文說，目前單倍體和二倍體基因組都已經繪制完成。

基因組所研究員張春芝告訴《中國科學報》，近年來，國外多家科研機構和育種公司已經開展了二倍體馬鈴薯雜交育種計劃。“但是，他們都遇到一個問題：培育的自交系純度不高，導致雜交種出現性狀分離，影響了商品性。這說明通過傳統育種方式很難培育高純合度的自交系，因此需要加強對馬鈴薯基因組的理解，開展馬鈴薯基因組設計育種。”張春芝說。

對馬鈴薯基因組的研究始于2005年。由14個國家29個單位的97名研究人員組成的國際馬鈴薯基因組測序聯盟(以下簡稱測序聯盟)對一種優良的馬鈴薯育種材料二倍體RH的基因組圖譜發起了科研攻關。然而，由于二倍體馬鈴薯基因組存在高度雜合、物理圖譜質量不高、測序成本高等難以克服的困難，項目舉步維艱，測序聯盟瀕臨解散。

這時，黃三文帶領的中方團隊另辟蹊徑，提出了一套新的策略：以單倍體馬鈴薯DM為材料來降低基因組分析的復雜度，并采用快捷的全基因組鳥槍法策略和低成本的新一代DNA測序技術，大大加快了整個項目的進程，于2009年完成了單倍體馬鈴薯基因組的測序、拼接和注釋工作。2011年，《自然》以封面文章的形式發布了第一個單倍體馬鈴薯DM的參考基因組。在那篇文章中，測序聯盟也分析了僅組裝10%的二倍體馬鈴薯RH基因組序列。

近10年過去，黃三文團隊使用同一個馬鈴薯材料RH，完成了當年測序聯盟沒有完成的工作。“這對2011年那篇文章算是一個圓滿回應。”論文第一作者、基因組所的周倩告訴《中國科學報》。

1+1遠大于2

馬鈴薯是高度雜合的作物，二倍體馬鈴薯雜合度高達2%，兩套染色體之間存在大量差異。

“二倍體基因組的工作量比單倍體多了不止兩倍，因為不僅是多了一套完整且不同的基因組，而且兩套基因組之間會互相干擾，影響測序結果的準確性。”中國農業大學教授賴錦盛接受《中國科學報》采訪時說，馬鈴薯二倍體基因組測序成功，將為破解馬鈴薯四倍體基因組、加速馬鈴薯育種奠定基礎。

“科學家組裝基因組的過程，類似拼圖。”周倩說，利用常規測序方法，一個基因組可能被打碎成數百萬、數千萬的碎片，而組裝算法就是要找到碎片與碎片之間的連接點，從而將碎片拼接成完整的基因組序列。

在植物基因組內部存在著大量極相似的“重復序列”片段。這些片段就相當于拼圖時形狀、顏色非常相近的碎片，組裝算法也很難確定它們真正的位置，因而很容易引起錯誤的組裝結果。

在高雜合基因組中，來自父方和母方的序列相似度接近99%，差異點僅有1%~2%，組裝算法很有可能將來自父方的碎片與來自母方的碎片連接在一起，形成錯誤的組裝結果，甚至導致無法完成整個拼圖，即獲得完整的全基因組序列。

“以上原因導致構建高質量的馬鈴薯雜合基因組十分困難。”周倩說。

距離破譯第一個馬鈴薯基因組已過去將近10年，基因組測序技術和組裝算法都在不斷升級。“技術的進步和馬鈴薯科研成果的積累，綜合在一起，使得他們有機會破解這個重要的二倍體馬鈴薯基因組。”賴錦盛說。

挑戰：消除有害突變

該研究提出了高準確率HiFi read與遺傳群體測序、HiC測序相結合的技術路線，克服了“重復序列”和“高雜合”這兩個障礙，成功組裝了染色體級別的單體型，為復雜基因組的解析提供了借鑒。

“在完整基因組序列的基礎上，我們進行了序列比較、基因表達、有害突變預測、重點基因的挖掘等分析。”周倩說。

賴錦盛介紹：“有性繁殖過程能對變異進行選擇。有害突變過多的后代可能無法存活，或者在性狀上表現比較差。這些后代被淘汰的時候，有害突變也就被淘汰掉了。”

“大部分二倍體馬鈴薯自交不親和，一般通過薯塊進行無性繁殖，這就導致基因組重組事件少，基因信息不流動，自然突變產生的有害突變就會積累下來，從而使得基因組內有害突變的水平較高。我們在RH二倍體馬鈴薯中檢測到了22134個有害突變。”周倩說，這些有害突變散布在兩套基因組中，與其他類型的變異呈馬賽克式分布，并且有害突變還有可能與優良基因緊密連鎖，很難通過傳統雜交的方法徹底淘汰有害突變。

張春芝介紹，為避免這些有害突變，只能通過培育不同遺傳背景的自交系，然后將不同的自交系進行雜交，使有害突變保持在雜合狀態，掩蓋其不良效應，這樣才不會對雜交種的表型產生影響。

賴錦盛認為，找到這些有害突變的位置，一方面為一定程度上消除有害突變提供了條件;另一方面也說明，由于有害突變分布廣泛，要徹底而系統地消除有害突變難度非常大，面臨著很大的挑戰。

近年來，在農業農村部和深圳市的支持下，黃三文聯合多家單位發起了“優薯計劃”，即用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產業的“綠色革命”，用二倍體替代四倍體，并用雜交種子替代薯塊，對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創新。

“馬鈴薯二倍體基因組的解讀，讓‘優薯計劃’的實現又向前邁進了一步。”賴錦盛說。(李晨)