中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院解析馬鈴薯雜種優(yōu)勢(shì)的多組學(xué)機(jī)理

目前，栽培馬鈴薯主要是同源四倍體，基因組復(fù)雜，雜交后代性狀分離嚴(yán)重，導(dǎo)致育種周期長(zhǎng)，品種更新慢。近年來，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所黃三文研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，即運(yùn)用“基因組設(shè)計(jì)”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖，對(duì)馬鈴薯的育種和繁殖方式進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。在之前的研究中，該團(tuán)隊(duì)成功培育出高純合度的二倍體馬鈴薯自交系和雜種優(yōu)勢(shì)顯著的二倍體雜交馬鈴薯。雖然雜種優(yōu)勢(shì)的研究在種子植物中已有一些進(jìn)展，但無性繁殖作物的雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理卻少見報(bào)道。

2022年1月，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所張春芝/黃三文課題組在《Journal of Integrative Plant Biology》在線發(fā)表了題為“The multi-omics basis of potato heterosis”的研究論文。該研究通過整合轉(zhuǎn)錄組、代謝組和DNA甲基化的多組學(xué)數(shù)據(jù)，探索了馬鈴薯3個(gè)發(fā)育時(shí)期雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳和分子機(jī)理。該研究發(fā)現(xiàn)在二倍體馬鈴薯中，雜種優(yōu)勢(shì)的建立主要是依靠基因的顯性互補(bǔ)。二倍體雜交馬鈴薯在花色、育性和淀粉合成等方面表現(xiàn)出顯著的基因表達(dá)及功能互補(bǔ)。能量代謝在雜種優(yōu)勢(shì)中也發(fā)揮了不可或缺的作用。在苗期，與中親值相比，F(xiàn)降低了次生代謝產(chǎn)物的合成并適當(dāng)下調(diào)部分基礎(chǔ)防御基因的表達(dá)，將更多物質(zhì)用于初生代謝來為苗期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)提供更多的能量。淀粉和蛋白質(zhì)作為塊莖干物質(zhì)中的主要成分在F中也得到了優(yōu)先合成。除此之外，該研究還發(fā)現(xiàn)F中存在大量偏好表達(dá)基因，這些基因會(huì)偏向表達(dá)父本或者母本的等位基因，顯著富集在能量代謝、脅迫響應(yīng)、淀粉合成等途徑，并且可能受CHH類型的甲基化調(diào)控，這說明馬鈴薯F或許可以通過特異表達(dá)來自父母本的優(yōu)勢(shì)等位基因來更好地適應(yīng)環(huán)境，以獲得更強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)表型。該研究首次揭示了二倍體雜交馬鈴薯雜種優(yōu)勢(shì)的多組學(xué)機(jī)理，為二倍體馬鈴薯育種提供了理論基礎(chǔ)。