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为解决马铃薯二倍体自交系培育受有害变异阻碍、单倍型多样性认知有限等问题，研究人员开展了马铃薯阶段性泛基因组研究。他们构建泛基因组图谱，发现转座元件影响结构变异等。这为马铃薯育种提供理论基础，助力培育优良自交系。
马铃薯，作为全球重要的块茎类作物，养活了超过 120 个国家的约 13 亿人口，在人类饮食结构中占据着关键地位。传统的四倍体栽培马铃薯（Solanum tuberosum L.）采用无性繁殖方式，这种繁殖模式下，马铃薯的育种进程缓慢，且遗传改良成果难以有效积累。为了打破这一育种困境，科研人员将目光投向了基于二倍体自交系的种子繁殖杂交系统，期望借此大幅加速马铃薯的遗传改良进程。
然而，在这条充满希望的育种之路上，诸多难题横亘在前。其中，大量有害变异的存在严重阻碍了二倍体自交系的培育。这些有害变异如同隐藏在基因组中的 “定时炸弹”，时刻威胁着马铃薯的生长发育和整体适应性。此外，目前已发表的大多数二倍体马铃薯基因组未进行阶段性分析，这使得单倍型多样性和杂合性等关键信息被深深掩盖，进一步加大了马铃薯遗传研究和育种改良的难度。因此，深入探究有害变异的本质，并寻找有效的消除方法，成为了当下杂交马铃薯研究领域的核心任务。
为了攻克这些难题，中国农业科学院深圳农业基因组研究所等多家机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature》上，为马铃薯育种带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法。在测序技术方面，他们对 31 份马铃薯材料进行了 PacBio 高保真（HiFi）测序和高通量染色体构象捕获技术（Hi-C）测序，获取了海量的基因组数据。利用这些数据，通过 hifiasm 等软件进行从头组装，成功获得了 60 个单倍型的高质量基因组。此外，借助 PanGenome Graph Builder（PGGB）等工具构建马铃薯泛基因组图谱，全面解析基因组变异。
马铃薯泛基因组图谱的构建
研究人员基于之前对 193 份马铃薯种质的遗传多样性研究和主成分分析（PCA）结果，精心挑选了 31 份具有代表性的马铃薯材料，涵盖了 19 份地方品种、2 份自交系和 10 份野生材料。对这些材料进行 HiFi 和 Hi-C 测序后，他们获得了平均 28.15 Gb（约 38 倍）的 HiFi reads 和 110.43 Gb（约 149 倍）的 Hi-C reads。通过一系列严格的组装和验证流程，构建出了马铃薯泛基因组图谱 PPG-v.1.0。该图谱包含 24864 万个节点和 34561 万个边，总序列长度达 3076 Mb，相较于线性参考基因组，能更广泛地代表马铃薯的遗传多样性。
转座元件驱动结构变异的形成
在对马铃薯基因组结构变异（SVs）的深入研究中，研究人员发现转座元件（TEs）在 SVs 的形成过程中发挥着至关重要的作用。TEs 约占与 SVs 相关重复元件的 90.6%，且 28.2% 的 SVs 被单个 TE 序列覆盖，这强烈暗示了 TE 插入事件与 SVs 形成之间的紧密联系。通过对 SVs 断点的细致分析，研究人员发现 33.8% 的断点可归类为由 TE 介导的重排（TEMR）引起的异位重组事件，其中 Gypsy 长末端重复反转录转座子（LTR/Gypsy）介导的 TEMR 尤为突出，其发生频率是 Copia 长末端重复反转录转座子（LTR/Copia）介导的 TEMR 的 7 倍。此外，LTR/Gypsy 介导的 TEMR 所产生的 SVs 长度明显更长，且表现出更近期和频繁的活性。研究人员还在第五代自交系 E4-63 中发现了一个约 4.0 Mb 的由 LTR 介导的新发生的臂内倒位，这一发现为杂交马铃薯育种中的轮回选择敲响了警钟。
驯化对马铃薯杂合性的影响
研究人员引入了基于序列长度的基因组杂合性（GHSL）这一概念，用于更精准地描述马铃薯基因组的杂合性以及同一二倍体个体中两个单倍型之间共线性的丧失情况。通过分析发现，栽培马铃薯的 GHSL 约为 105.2 Mb，显著高于野生马铃薯的 72.1 Mb，这表明栽培马铃薯在驯化过程中经历了更为广泛的杂交事件。进一步的主成分分析（PCA）和单倍型树构建结果显示，栽培马铃薯的两个单倍型之间的遗传差异明显大于野生马铃薯，这一系列结果充分证实了马铃薯在驯化过程中基因组杂合性和单倍型多样性得到了显著增强。这种增强的杂合性有效降低了栽培马铃薯纯合有害负担，体现了杂种优势在马铃薯驯化过程中的重要作用。
有害结构变异在育种中的命运
研究人员对栽培马铃薯中 SVs 的适应性效应进行了深入分析，发现 SVs 在单例和其他低频等位基因类别中显著富集，且栽培马铃薯中杂合 SVs 的数量约为纯合 SVs 的 2.7 倍，39.4% 的杂合 SVs 位于基因体或推定的启动子区域。这些结果表明，SVs 相较于单核苷酸多态性（SNPs）更有可能具有强烈的有害性，并且在二倍体马铃薯品种中通常以杂合状态且相对较低的频率存在。基于此，研究人员开发了一种非加权方法，用于推断马铃薯基因组中潜在的有害结构变异（dSVs），共鉴定出 19625 个 dSVs，其中 50.4% 位于非编码区域。研究还发现，dSVs 在野生马铃薯中 73% 处于杂合状态，而在栽培马铃薯中这一比例高达 97%，这意味着 dSVs 在很大程度上通过杂合状态得以逃避自然选择。此外，研究人员还观察到 dSVs 和有害单核苷酸多态性（dSNPs）之间存在显著的正相关关系，且 dSNPs 在 dSVs 的耦合相中显著富集，这种现象被称为 dSVs 的 “破窗效应”。该效应揭示了 dSVs 和 dSNPs 在马铃薯基因组中并非随机分布，而是倾向于在耦合相中形成簇，这些有害簇对马铃薯基因组的影响不容忽视，在之前开发的自交系 A6-26 和 E4-63 中，就存在大量未被有效清除的有害变异，严重影响了自交系的适应性。
理想单倍型的基因组设计
为了指导育种人员培育出更优良的马铃薯自交系，研究人员提出了理想马铃薯单倍型（IPHs）策略。基于 PPG-v.1.0，他们以两个杂种优势群为起点，通过模拟不同单倍型供体和重组事件下 dSVs 和 dSNPs 的分布情况，精心设计出了 IPHs-A 和 IPHs-E。理论上，这些理想单倍型能够最大限度地减少 dSVs 和 dSNPs 的数量，相较于之前的自交系，IPHs-A 和 IPHs-E 中 dSNPs 的数量分别减少了 32.4% 和 50.3%，预测的 IPHs-A 和 IPHs-E 杂交产生的 F1杂种基因组中纯合 dSNPs 的数量也大幅减少了 54.5%。然而，研究人员也指出，仅依靠自然重组难以实现 IPHs，未来可能需要借助靶向重组、基因编辑和合成生物学等新技术，才能更有效地实现这一目标。
研究人员构建的马铃薯阶段性泛基因组图谱，为深入探究马铃薯单倍型多样性提供了宝贵资源，极大地增进了我们对马铃薯克隆繁殖基因组基础的理解。研究中对有害变异的全面分析，明确了 dSVs 和 dSNPs 在马铃薯基因组中的分布特征和影响机制，为后续精准清除这些有害变异提供了理论依据。IPHs 策略的提出，更是为杂交马铃薯育种指明了方向，有望助力育种人员培育出具有优良性状的马铃薯自交系，推动马铃薯育种从传统模式向基因组设计育种的快速迭代模式转变。这一研究成果不仅对马铃薯育种领域具有重大的指导意义，也为其他克隆繁殖作物的遗传改良提供了有益的借鉴，为全球农业的可持续发展注入了新的活力。
