2024年10月5日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)“优薯计划”团队张春芝课题组、黄三文课题组联合华中农业大学杨万能课题组在《自然·通讯(Nature Communications)》期刊上发表了题为“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。
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。
在前期研究中,“优薯计划”团队已经建立了二倍体马铃薯杂种优势利用育种体系,但是杂种优势形成的遗传机制尚不清楚。在该研究中,研究人员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。研究人员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,研究人员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,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。进一步研究发现块茎中80%的小分子代谢物与干物质含量呈显著负相关,虽然多数mQTL降低了杂合体小分子代谢物的含量,但对干物质含量却呈现了正向杂种优势效应,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,研究人员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。
图1 | 文章研究思路
图2 | 马铃薯产量与代谢物杂种优势遗传解析
综上所述,该研究通过大规模的遗传与杂种优势分析,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(大鹏湾实验室)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(大鹏湾实验室)张春芝研究员、黄三文研究员,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。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-53044-4
Editors-in-Chief:
Prof. Sanwen Huang
2023 IF 4.6
Indexed in EI, ESCI, PubMed Central, SCOPUS, CSCD, Google Scholar, CNKI, Dimensions...
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