中國農業科學院解析馬鈴薯雜種優勢的多組學機理

目前，栽培馬鈴薯主要是同源四倍體，基因組復雜，雜交后代性狀分離嚴重，導致育種周期長，品種更新慢。近年來，中國農業科學院深圳農業基因組所黃三文研究團隊聯合多家單位發起了“優薯計劃”，即運用“基因組設計”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，對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創新。在之前的研究中，該團隊成功培育出高純合度的二倍體馬鈴薯自交系和雜種優勢顯著的二倍體雜交馬鈴薯。雖然雜種優勢的研究在種子植物中已有一些進展，但無性繁殖作物的雜種優勢機理卻少見報道。

2022年1月，中國農業科學院深圳農業基因組所張春芝/黃三文課題組在《Journal of Integrative Plant Biology》在線發表了題為“The multi-omics basis of potato heterosis”的研究論文。該研究通過整合轉錄組、代謝組和DNA甲基化的多組學數據，探索了馬鈴薯3個發育時期雜種優勢的遺傳和分子機理。該研究發現在二倍體馬鈴薯中，雜種優勢的建立主要是依靠基因的顯性互補。二倍體雜交馬鈴薯在花色、育性和淀粉合成等方面表現出顯著的基因表達及功能互補。能量代謝在雜種優勢中也發揮了不可或缺的作用。在苗期，與中親值相比，F降低了次生代謝產物的合成并適當下調部分基礎防御基因的表達，將更多物質用于初生代謝來為苗期的營養生長提供更多的能量。淀粉和蛋白質作為塊莖干物質中的主要成分在F中也得到了優先合成。除此之外，該研究還發現F中存在大量偏好表達基因，這些基因會偏向表達父本或者母本的等位基因，顯著富集在能量代謝、脅迫響應、淀粉合成等途徑，并且可能受CHH類型的甲基化調控，這說明馬鈴薯F或許可以通過特異表達來自父母本的優勢等位基因來更好地適應環境，以獲得更強的雜種優勢表型。該研究首次揭示了二倍體雜交馬鈴薯雜種優勢的多組學機理，為二倍體馬鈴薯育種提供了理論基礎。