利用分阶段泛基因组进行杂交马铃薯单倍型设计

学术背景

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球最重要的块茎作物之一，每年为超过120个国家的13亿人口提供食物。然而，马铃薯的四倍体基因组和克隆繁殖方式使其育种进展缓慢，难以通过传统的育种方式快速积累有益性状。为了加速马铃薯的改良，科学家们提出了基于二倍体自交系的种子繁殖杂交系统。然而，二倍体自交系的开发受到大量有害变异的阻碍，这些有害变异的存在严重影响了马铃薯的生长和整体适应性。因此，理解这些有害变异的本质并找到消除它们的方法，成为当前杂交马铃薯研究的重点。

此外，大多数已发表的二倍体马铃薯基因组是未分相的，这掩盖了单倍型多样性和杂合性的关键信息。为了克服这一挑战，研究人员开发了一个分相的马铃薯泛基因组图谱，旨在揭示马铃薯基因组的结构变异（Structural Variants, SVs）和单倍型多样性，并为未来的马铃薯育种提供理论支持。

论文来源

这篇论文由Lin Cheng、Nan Wang、Zhigui Bao等来自中国农业科学院深圳农业基因组研究所、比利时列日大学、德国马克斯·普朗克生物学研究所等多个机构的科学家共同完成。论文于2024年12月2日在线发表在Nature期刊上，题为《Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato》。

研究流程与结果

1. 分相泛基因组的构建

研究人员首先选择了31个二倍体马铃薯品种，包括10个野生种和19个栽培种，并生成了60个单倍型的基因组序列。通过PacBio HiFi测序和Hi-C技术，研究人员对这些品种进行了高精度的基因组组装。每个单倍型的基因组大小平均为811 Mb，contig N50为12.25 Mb。通过Hi-C数据，研究人员将单倍型组装成伪染色体，锚定率达到95.17%。

为了构建马铃薯的泛基因组图谱，研究人员使用了Pangenome Graph Builder (PGGb)和minigraph-cactus两种方法。最终，他们构建了一个包含60个单倍型的泛基因组图谱（PPG-v.1.0），该图谱包含248.64百万个节点和345.61百万条边，总序列长度为3,076 Mb。与线性参考基因组相比，泛基因组图谱能够更好地捕捉马铃薯基因组的多样性。

2. 结构变异的起源与动态

研究人员进一步分析了马铃薯基因组中的结构变异（SVs），发现90.6%的SVs与转座元件（Transposable Elements, TEs）相关。特别是，长末端重复反转录转座子（LTR/Gypsy）介导的SVs显著多于其他类型的TEs。研究人员还发现，TEs通过同源重组介导的结构变异（TE-mediated rearrangements, TEMRs）在马铃薯基因组中广泛存在，尤其是在栽培种中。

通过比较野生种和栽培种的基因组，研究人员发现栽培种的杂合性显著高于野生种（14.0% vs. 9.5%），这表明在马铃薯的驯化过程中发生了广泛的杂交。此外，研究人员还发现栽培种中存在大量的单倍型特异性倒位（haplotype-specific inversions），这些倒位可能与马铃薯的块茎形成和生长相关。

3. 有害结构变异的鉴定与清除

研究人员鉴定了19,625个潜在的有害结构变异（Deleterious Structural Variants, DSVs），并发现这些DSVs在马铃薯基因组中倾向于以杂合状态存在。特别是在栽培种中，97%的DSVs是杂合的，这表明这些有害变异在驯化过程中被“庇护”下来，避免了负选择。

为了清除这些有害变异，研究人员开发了一种基于泛基因组图谱的计算设计方法，旨在设计理想的马铃薯单倍型（Ideal Potato Haplotypes, IPHs）。通过模拟重组事件，研究人员成功设计出了两个理想的单倍型组合（IPHs-A和IPHs-E），这些组合中的有害变异显著减少，为未来的马铃薯育种提供了重要参考。

4. “破窗效应”与有害变异的积累

研究人员还发现，DSVs在马铃薯基因组中倾向于形成簇状分布，这种现象被称为“破窗效应”（Broken-Window Effect）。具体来说，DSVs周围的单核苷酸多态性（Deleterious Single Nucleotide Polymorphisms, DSNPs）在耦合相（coupling phase）中显著多于排斥相（repulsion phase）。这种效应可能是由于DSVs降低了周围区域的重组率，导致有害变异在局部积累。

结论与意义

这项研究通过构建分相的马铃薯泛基因组图谱，揭示了马铃薯基因组中的结构变异和单倍型多样性，特别是栽培种中广泛存在的杂合性和有害变异。研究人员还开发了一种计算设计方法，成功设计出了理想的马铃薯单倍型，为未来的杂交马铃薯育种提供了重要工具。

这项研究的科学价值在于，它不仅揭示了马铃薯基因组的结构变异和进化动态，还为其他克隆繁殖作物的基因组研究和育种提供了新的思路。此外，研究提出的“破窗效应”为理解有害变异在基因组中的积累机制提供了新的视角。

研究亮点

1. 分相泛基因组图谱的构建：研究人员首次构建了包含60个单倍型的马铃薯泛基因组图谱，为理解马铃薯基因组的多样性和结构变异提供了重要资源。
2. 结构变异的起源与动态：研究揭示了TEs在马铃薯基因组结构变异中的重要作用，特别是LTR/Gypsy介导的SVs在栽培种中的广泛存在。
3. 有害变异的鉴定与清除：研究人员鉴定了大量有害结构变异，并通过计算设计方法成功减少了这些变异，为马铃薯育种提供了新的工具。
4. “破窗效应”的发现：研究首次提出了DSVs在基因组中的“破窗效应”，为理解有害变异的积累机制提供了新的理论支持。

这项研究不仅为马铃薯育种提供了重要的理论支持，还为其他作物的基因组研究和育种提供了新的思路和方法。