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马铃薯（Solanum tuberosum L.）是茄科茄属的一年生草本植物，已经在全球100多个国家广泛种植，超过20亿人将马铃薯作为主要食物或经济收入来源。然而，当前的马铃薯商品种均对低温敏感（NA），且缺乏冷驯化能力(CA)。低温是影响马铃薯生长发育最重要的非生物胁迫因素之一，全球每年因低温冻害导致的经济损失达数十亿美元。马铃薯野生种Solanum commersonii（2n=2x=24，1EBN）原产于巴西、乌拉圭和阿根廷东北部地区，是植物学家收集到的第一个野生马铃薯种质，该野生种具有优良的抗病性和抗逆性，特别因其强大的耐寒性而备受关注（NA = -6℃；CA = -9℃）。因此解析S. commersonii高质量基因组，并挖掘S. commersonii抗寒调控基因对于深入理解抗寒调控机理和指导育种实践具有重要意义。
2024年7月，Horticulture Research在线发表了华中农业大学马铃薯课题组发表的题为Haplotype-resolved genome and mapping of freezing tolerance in the wild potato Solanum commersonii 的研究论文。研究报道了二倍体马铃薯野生种S. commersonii单倍型解析的高质量参考基因组，并围绕S.
commersonii构建了抗寒遗传定位群体，结合BSA-seq和传统QTL定位的方法定位到抗寒调控显著关联基因座，为进一步克隆和揭示马铃薯抗寒性机制奠定了基础，这项研究有助于加深我们对马铃薯优良种质资源利用、遗传育种以及生物学研究工作的理解。
课题组首先利用二代Illumina数据对S. commersonii基因组进行了survey分析，预测了基因组大小约720 Mb，杂合度为0.97%。随后利用Pacbio CLR、HIFI和HiC数据对高耐寒性马铃薯材料“CMM5”（S. commesonii）进行了基因组组装，产生两个单倍型分型基因组大小分别为706.48
Mb和711.55 Mb；contig N50长度为50,875,589 bp和45,167,849 bp；组装后两个单倍型染色体锚定率分别为94.2%和96.9%。通过整合CMM5不同部位混样转录组数据和四种马铃薯材料（DM、M6、Solyntus和RH）同源蛋白质序列，两个单倍型分别预测到39,799和40,078个高置信度蛋白质编码基因。基因组组装质量评估结果显示，两个单倍型的QV值分别为45.76和41.02；平均 HiFi reads覆盖深度为63.63 x和65.07
x；组装后两个单倍型Illumina reads比对率为99.73%和99.77%，HIFI比对率为99.98%和99.98%；长末端重复（LTR）组装指数（LAI）结果显示，两个单倍型的LAI分别为11.00和11.05；BUSCO完整性评估结果为98.7%和98.8%，表明当前组装基因组在连续性，准确性和完整性方面具有较好的表现。进一步的比较基因组分析表明，转录活性、病原体反应、环境适应性、植物激素信号转导和环境适应性等相关通路基因在进化过程中受到显著正选择，这些基因的进化选择可能与野生马铃薯物种S. commersonii的多种抗逆性和环境适应性的形成有关。课题组进一步围绕CMM5与二倍体低温敏感桥梁种材料Ver1（S. verrucosum）构建了抗寒遗传定位群体，通过在不同温度点下（0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-9℃）进行多轮低温电解质渗漏实验检测，确定-4℃是群体材料抗寒性鉴定较为理想的温度点。随后，对276份后代单株在-4℃条件下完成了多轮表型鉴定，其中83%以上的材料完成了10次及以上表型鉴定。后代的电解质泄漏率从13%到92%不等，抗性亲本CMM5的渗漏率为16%，敏感亲本Ver1的渗漏率为92%，大多数材料的电解质泄漏率在40%至60%之间。鉴于稳定准确的表型对有效鉴定马铃薯抗寒基因的重要性，排除了表型鉴定少于6次或多轮鉴定中标准偏差（SD）超过0.15的植株，最终，保留了238株具有稳定表型的植株，用于后续的遗传连锁图谱构建和目的基因定位。进一步挑选抗感单株构建BSA极端抗感混池测序，将下机数据比对到DM1-3（v8.1）和当前组装CMM5_hap1基因组，使用两个不同的参考基因组进行分析的结果显示一致，从而确定了7号染色体上的目标基因位点。此外，当使用DM作为参考基因组时，10号染色体和12号染色体也显示了候选区域。这一观察结果表明，在这些基因座上可能存在调控抗寒性的微效基因，也可能是背景噪声对所得结果的影响。通过传统的QTL图谱绘制，验证了BSA-Seq得出的候选区间的准确性，并通过开发连锁分子标记来缩小图谱区间，进一步提高了抗冻基因定位的精确性。在绘制传统QTL图谱时，在候选染色体区段（Chr07、Chr10 和 Chr12）开发了连锁分子标记。从抗性亲本和抗性单株，以及敏感亲本和敏感单株中选择多态性分子标记，对所有后代材料进行基因分型。通过在三条染色体的候选区间附近开发高密度连锁分子标记，只在Chr07上获得了理想的标记，因此推测Chr10和Chr12可能是由背景噪声引起的假阳性位点。结合之前确定的表型数据，利用QTL IciMapping软件构建了遗传连锁图谱并进行了抗寒QTL定位。构建遗传连锁图谱总长度为36.60 cM，包含41个连锁标记（文中只显示提供交换信息的标记）。最终，在标记SSR179和Ind88之间发现了一个显著的抗寒调控QTL，其LOD为7.79，表型贡献率为18.81%，加性效应值为0.17。该QTL的侧翼标记对应参考基因组CMM_Hap1的Chr07染色体的6 Mb附近（区间大小1.25 Mb），区间包含88个候选基因的区域。最后作者还讨论了当前马铃薯抗寒研究进展较为缓慢的原因及不同抗寒表型鉴定方法的优缺点。![]()
该研究提供了抗寒马铃薯野生中S. commersonii高质量单倍型分型参考基因组，并定位了马铃薯抗寒调控候选区段，为进一步完成抗寒基因克隆和抗寒调控网络解析，进而指导抗寒种质资源利用和育种实践奠定了重要基础。
华中农业大学马铃薯课题组蔡兴奎副教授为该论文的通讯作者，在读博士研究生董建科为该论文第一作者。此外，华中农业大学信息学院焦文标教授，肖培轩博士，园艺林学学院孔秋生教授和植物科学技术学院李健英博士也对该研究提供了支持和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点研发计划和国家现代农业产业技术体系建设专项的资助。华中农业大学马铃薯团队是农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室和湖北省马铃薯工程技术研究中心等省部级研究平台的依托单位，也是果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室和国家蔬菜改良中心华中分中心的重要组成部分。团队现有在职教师7人，其中教授3人、副教授3人、高级农艺师1人，博士后4人，现有60余名博士和硕士研究生参与课题研究。团队围绕产业发展的重大科学与技术问题，开展应用基础与共性技术研究，经过20多年的努力，形成了马铃薯种质资源创新、重要性状功能基因组、遗传育种、种薯繁育和农机农艺融合等优势研究领域。团队收集保存了马铃薯野生种、栽培种和种间杂种等各类资源2000余份；系统完成了马铃薯资源晚疫病、青枯病、病毒病等抗性鉴定及抗寒性和品质性状评价；建立了原生质体融合技术平台，获得首批抗青枯病、抗寒种间体细胞杂种，创造出了一批具有抗性突出、遗传背景广泛的亲本材料；开展了块茎发育、低温糖化和抗寒等重要性状形成分子与遗传机制解析，揭示了晚疫病、青枯病和病毒病等植株抗性形成的遗传基础和植物-病原互作的分子机制，建立了相应的分子标记辅助选择体系，为抗性改良和育种技术创新提供了理论支撑和技术平台；提出了块茎发育的分子生理机制，发明了试管薯高效生产技术，创新了种薯繁育体系；建立了马铃薯南方马铃薯“深沟宽垄全覆膜”机械化栽培技术。育成新品种24个，获植物新品种权10项，获国家发明专利30余项，获湖北省科技进步一等奖、湖北省技术发明一等奖、农业部全国农牧渔业丰收一等奖等科技奖项，发表学术论文400余篇。
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