Abstract
摘 要
作为全球重要的块茎类作物，马铃薯新品种选育正面临优异种质资源缺乏、遗传背景狭窄等问题。自然界中超过70%的马铃薯种质资源为二倍体，是该作物遗传改良的理想材料。从基因组层面加深对种质资源遗传变异的理解，对加速马铃薯新品种培育和“优薯计划”实施具有重要意义。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.01.016
图1. 马铃薯种质资源群体进化树与驯化区间
栽培亚群窄刀薯（S. tuberosum group Stenotomum, STN）与富利亚薯（S. tuberosum group Phureja, PHU）在休眠期表型上差异显著（~10周 vs ~1周）。团队在这两个亚群间鉴定出174个分化区间，其中包括多个已报道的休眠QTL位点。结合分离群体混池测序（BSA-seq）和转录组，推测Soltu.DM.03G024570是二者休眠期分化的候选基因之一。该基因的拟南芥同源基因编码过氧化物酶体脂酰CoA合成酶，直接参与茉莉酸（JA）合成。Soltu.DM.03G024570启动子上一个11bp InDel造成其在窄刀薯和富利亚薯间差异表达。进一步激素测定结果表明，窄刀薯和富利亚薯块茎芽眼组织中茉莉酸-异亮氨酸（JA-Ile）含量差异显著，与Soltu.DM.03G024570表达量变化一致。
图2. 窄刀薯与富利亚薯亚群分化及块茎休眠期基因挖掘
龙葵素（Steroidal Glycoalkaloid, SGAs）是马铃薯主要的抗营养因子。根据含氮的甾体生物碱苷元和寡糖配基不同，可分为几十种不同类型。栽培马铃薯龙葵素以三糖配基的茄碱（α-solanine）和卡茄碱（α-chaconine）为主。团队通过115份种质资源薯肉龙葵素含量（茄碱+卡茄碱）的全基因组关联分析（GWAS），结合基因组共线性和转录本组装，在7号染色体鉴定到一个参考基因组DM（v6.1）中缺失的糖基转移酶基因StGAME17。该基因是番茄葡萄糖基转移酶（SlGAME17）同源基因，在7份不含茄碱和卡茄碱的S. candolleanum资源中特异表达。生化和转基因证据表明，StGAME17可在γ-卡茄碱（Solanidine-1Glu）的基础上催化增加一个葡萄糖基（Solanidine-2Glu）。另外，StGAME17在野生马铃薯群体中基因频率高达97%，但在栽培群体中骤降至~2%，可能与驯化过程中马铃薯龙葵素种类大幅减少有关。
图3. 薯肉龙葵素含量GWAS及StGAME17功能验证
团队还通过GWAS分析鉴定到了一个调控块茎重量的DREB类转录因子Soltu.DM.03G005790。连续两年表型评价结果表明，过表达株系平均块茎重量增加，而敲除株系平均块茎重量降低。该基因可作为培育高产马铃薯的潜在靶点。
图4. 块茎重量GWAS及Soltu.DM.03G005790功能验证
此外，进化树、基因组相似性和种群特异SNP分析结果表明，四倍体原始栽培种的基因组主要由窄刀薯构成，表明马铃薯四倍体可能起源于窄刀薯。同时，研究团队还在四倍体马铃薯基因组内检测到了大量来自野生种的渐渗片段，表明与野生种的基因交流对增强四倍体马铃薯的生物抗性和非生物抗性可能具有重要作用。
作者简介
内蒙古大学为该论文的第一单位，内蒙古大学齐建建教授、中国农业大学林涛教授、中国农科院基因组研究所黄三文研究员为该论文共同通讯作者，内蒙古大学原科研助理练群（现为中国农科院-都柏林大学联合培养博士）、博士生张迎迎、中国农科院蔬菜花卉所张金喆副研究员、北京农学院彭真博士为文章共同第一作者。美国国家种质资源库和国际马铃薯中心在马铃薯种质资源方面提供宝贵支持。中国农科院基因组所周永锋研究员、内蒙古大学张若芳教授、荷兰瓦格宁根大学Christian Bachem教授、英国詹姆斯赫顿研究所Glenn Bryan教授、都柏林大学Sónia Negrão教授、国际马铃薯中心Philip Kear博士和云南师范大学尚轶教授为本文提供了重要指导。中国农科院基因组所张兴坦研究员、张春芝研究员、张新岩研究员、李伟研究员、杜然副研究员、程林博士、李宏博博士、陈雪青博士、仲阳博士、中国科学院植物研究所周姚研究员、华中科技大学周渊教授和内蒙古自治区农牧业科学院张福金研究员、张欣昕副研究员为工作提供了重要帮助。该研究得到了国家重点研发计划、中国农科院、内蒙古自治区和深圳市等科技计划的资助。
