黄三文团队开发“进化透镜”，加速杂交马铃薯育种

“进化透镜”：基因组序列透过最长八千万年进化，100份材料加和12亿年进化的突变及选择，就会根据受到进化约束来区分出对繁殖力、生活力不同重要性序列，如同白光透过三棱镜会根据波长分散为七色单色光一样。

北京时间2023年5月4日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队国际权威期刊Cell在线发表了题为Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding的研究成果。黄三文团队联合国内外优秀单位，收集大量茄科物种资源，通过对100个茄科基因组的比较分析来追踪最长8千万年、累计十二亿年的进化痕迹，在此基础上开发出“进化透镜”来发现马铃薯进化约束及有害突变，绘制了首个马铃薯有害突变二维图谱。利用图谱信息，提出反直觉的自交系培育方法，开发全基因组预测新模型，使马铃薯产量预测达到了前所未有的准确度，加速了杂交马铃薯育种进程。该研究使得我国在马铃薯育种基础理论和技术上站在了世界领先地位。

“优薯计划”-马铃薯产业的绿色革命
 

马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，是13亿人口的主要粮食来源，也是我国第四大主粮作物。马铃薯具有产量高、用水少、可种植地域广等优点。然而，由于传统栽培马铃薯是同源四倍体，基因组复杂，导致育种进程十分缓慢。此外，薯块无性繁殖还面临着繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。

为解决上述难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，旨在用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。将马铃薯的育种周期由原来的10～12年缩短至3～5年，繁殖系数提高1000倍，有望引领马铃薯产业的“绿色革命”（点击查看：专家点评Cell丨黄三文团队“优薯计划”实现0到1突破  ——第一代通过基因组设计的杂交马铃薯问世）。

“有害突变”导致的自交衰退是“优薯计划”航道上的“暗礁”

自交不亲和（植物自花授粉后不能产生成熟种子）及自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降）是妨碍马铃薯育种进程的两大障碍。为解决这两个问题，黄三文团队先后解析了马铃薯单倍体、二倍体及四倍体基因组和泛基因组（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022; Nature，2022），打破了自交不亲和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），初步解析了自交衰退的遗传基础，通过清除大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种（Nature Genetics, 2019; Cell，2021; JIPB，2022）。

尽管如此，马铃薯基因组中大量杂合有害突变、排斥相连锁产生的Hill-Robertsen干涉，会导致有害突变难以通过表型来发现，难以通过自交来淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突变，需要进一步剔除。为实现品种快速改良必须高效剔除有害突变，因此亟需一种准确鉴定并定量全基因组的有害突变的新技术。

以史为镜鉴定有害突变
 

为此，研究人员收集了大量茄科物种资源，完成了38份茄科基因组组装，结合已发表数据，获得95份茄科材料、5份旋花科材料（共92个物种，100份材料）基因组信息，完成了茄科基因组组装和组学进化分析。这些材料最长进化时间为8千万年，累计十二亿年的进化时间。研究人员通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果，开发进化透镜，从全基因组层面鉴定进化约束位点及其进化保守值。进化保守值越高的位点更可能具有重要功能，突变后更可能降低马铃薯繁殖力、生活力及产量，即形成有害突变。研究人员将突变位点的进化保守值作为有害程度值，绘制了首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱，为鉴定马铃薯功能位点及剔除有害突变提供了新依据。

优薯计划最关键的步骤是构建马铃薯高度纯合的自交系。在高度纯合的自交系构建过程中，这些原本隐藏在杂合位点的有害突变成为纯合而暴露其有害功能，从而产生自交衰退，成为杂交马铃薯育种的卡脖子问题。例如，国际上经过9代自交获得的马铃薯株系“Solyntus”，其全基因组仍有20%的区域杂合，无法成功构建高度纯合自交系（van Lieshout et al., 2020 G3）。由于Hill-Robertsen干涉作用，有害突变难以通过自交来完全淘汰。本研究绘制的高质量有害突变二维图谱是指导选择起始材料、减少有害突变遗传给后代、解决构建自交系难题的主要途径。
 

所见未必即所得
 

基于该图谱，研究人员统计了起始材料传给后代的有害突变总值（即有害突变遗传总值），并选择有害突变总值低的材料来作为构建自交系的起始材料。并在育种实践中验证了该选择模型的可靠性。传统育种通常依据表型，选择长势好的材料作为起始材料，然而这些材料往往具有更高有害突变遗传总值，选择这些材料反而会增加高度纯合自交系构建难度；说明基因组指导选择与基于表型选择的结果相反，是一种反直觉选择。该反直觉选择可以有效选取自交系的起始材料，在当代就可以预测2-3年后自交系构建结果，大幅提高自交系构建成功率，在更短时间内培育更多自交系及杂交品种。

有害突变预测+全基因组选择使马铃薯育种驶入了快车道

研究人员发现有害突变总值与产量、株高、薯块等性状显著相关，首次将有害突变信息整合到全基因组预测新模型来预测马铃薯产量等农艺性状。相比缺少有害突变信息模型，预测准确度提高了45%；相比随机有害突变信息模型，预测准确度提高了25%；在马铃薯中达到了前所未有的准确度。该模型能够根据基因型及有害突变信息准确估计育种值，更好地帮助育种家制定早期育种决策，进一步降低育种成本、缩短马铃薯育种周期、快速培育高产优质马铃薯品种。

本研究开创了进化透镜鉴定有害突变的新技术，提出了高度纯合自交系起始材料反直觉选择的新依据，开发了全基因组预测农艺性状的新策略，标志着我国在马铃薯育种理论和技术上站在了世界领先地位。
 

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（基因组所）研究员、中国热科院院长黄三文为通讯作者，基因组所博士后吴瑶瑶、博士后李大伟、硕士生胡勇为该论文的共同第一作者。基因组所博士生李宏博、奥胡斯大学Guillaume P. Ramstein教授，康奈尔大学Edward S. Buckler教授、苏黎世大学Thomas Städler教授、英国自然博物馆Sandra Knapp研究员、基因组所张春芝研究员、周永锋研究员、周绍群研究员、张新岩研究员、爱丁堡皇家植物园Tiina Särkinen研究员、马克斯·普朗克生物研究所博士研究生鲍志贵、中国科学院植物研究所周姚研究员、北京大学现代农学院宋宝兴研究员、慕尼黑工业大学Edeline Gagnon及中山大学张雨副教授为该研究提出了重要指导。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国农业科学院、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00405-1

专家点评

中国科学院院士李家洋（崖州湾实验室主任、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员）

我长期关注黄三文团队的科研进展，从最早的2011年第一个顶刊的开始不断有这个重大的突破。他们近十几年，包括这项研究和的一系列成果，奠定了我国在马铃薯遗传育种研究领域的国际优势地位。马铃薯不仅对我们国家的确保粮食安全有重大意义，实际上他在支撑农民农村社会经济发展这个方面也是非常有重大意义。第一点，国际上经过9代自交无法获得高度纯合自交系，黄三文团队的发现的反直觉选择法，可以避免选错材料，将会指导快速培育自交系。第二点，黄三文团队这一研究发现与上周《科学》发表的关于人类疾病的专刊的研究类似，都是通过比较基因组学研究进化约束。我们十四亿农业大国，粮食安全是关键的，我们作物科学研究走在世界前沿。黄三文团队这一研究成果不仅对马铃薯，还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。我期待他们培育出更多更好的杂交马铃薯新品种，为粮食安全和乡村振兴做更大贡献”。

中国科学院院士韩斌（中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任）

我们农业育种离不开大数据，离不开遗传学、基因组学的布局。黄三文团队杂交马铃薯领域取得的成果，在国际上也是独树一枝的。黄三文团队能够敏锐的这个捕捉到并完成世界最前沿最挑战性的工作在这次最新的研究中，他们创新性地应用了整个茄科的比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种，思路新颖，引领了世界马铃薯遗传育种研究，对我国种业技术创新具有重要意义。

中国科学院院士种康（中科院植物所研究员）

黄三文团队的这项研究是马铃薯育种的里程碑式成果，从科学上来讲和育种上讲都是非常重要前沿的，对其它作物育种同样具有重要的启示。他们充分利用了这样一个原理：如果基因组中某个位点保持了上亿年的稳定性，那么它一旦突变则可能产生非常重要的影响。他们发现在二倍体马铃薯自交系选育中，起始材料应该“不选壮苗选弱苗”这一反直觉规律。该研究预示着作物育种进入一个新的时代，即育种家们不能仅仅关注自己的“一亩三分地”，更需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。

中国科学院院士金力（复旦大学校长）

黄三文团队在Cell发表的这项研究通过茄科等100个基因组的比较分析，发现了马铃薯基因组有2.4%是进化约束区域，进而鉴定了几十万个有害变异，并创造性地把这些信息应用在杂交马铃薯育种上。不谋而合，上周的Science论文，通过对240种哺乳动物的比较基因组学对进化约束进行估算，发现人类基因组约10%的进化约束区域，这些区域的变异和人的疾病发生直接相关。我很欣慰，在一周内，看到了进化约束应用于医学人类疾病和作物育种方面的高水平研究，两者有异曲同工之妙。相信黄三文团队领导的“优薯计划”不仅能够培育更多的马铃薯新品种，也能在育种方法论上取得新突破。

中国科学院院士钱前（中国农业科学院作物科学研究所研究员）

黄三文团队的优薯计划在2013年10月份在深圳建所的时候就已经开始并取得一系列成绩了。优薯计划不仅理论创新，面临更多挑战，黄三文团队经过多年攻关，终于做出来了。这项研究基于茄科植物进化基因组学，开发进化透镜技术，鉴定了马铃薯基因组上的有害突变，并将其应用到解决马铃薯育种难题中，大幅地提高马铃薯全基因组预测效率，这将实现杂交马铃薯育种的早期决策，加速育种进程，通过剔除有害变异和聚合有益变异的策略，有望在短期内通过基因组设计创建更多高产优质杂交马铃薯。

中国农业大学教授赖锦盛（国家玉米改良中心主任）

杂交玉米最重要的是创建优良自交系，玉米育种家，会有意识的选弱的苗。今天，黄三文团队的研究终于找到了反直觉筛选的遗传学基础。这项工作通过开发进化透镜精绘制了马铃薯全基因组有害变异二维图谱，开发了反直觉选择和全基因组预测模型将其应用到杂交马铃薯育种的早期决策，标志着我国马铃薯育种绝对达到国际前沿。

明尼苏达大学的教授彼得·莫雷尔

我第一次听说二倍体马铃薯(育种)是在北京的学术会议上。这是最雄心勃勃的计划，可能是我听说过的有魄力的项目之一。马铃薯等多倍体物种的每个基因都有多个拷贝，因此想要培育出具有理想的农艺性状的优良品种是非常有挑战性的。二倍体马铃薯是在南美洲的安第斯山脉被驯化的，但是它们没有被育种家选择用于培育高产品种。人们早就认识到，密集选育改良会减少遗传多样性。最近的基因组水平研究表明植物改良可能导致有害突变的积累。在本研究中，黄三文团队报道了在二倍体马铃薯改良过程中，对有利性状及保留可持续的遗传改良潜能之间的的平衡选择的新技术。他们设计实验并有效鉴定出有害的遗传变异，这项研究最令人兴奋的地方是平衡多种因素，进而达到能够长期不断改良产量等性状。该研究是优薯计划在改良二倍体马铃薯过程中一系列探索和成果的重要组成部分。我很期待这个项目未来的发展，以及黄三文团队今后的研究成果。