中国农业科学院解析马铃薯杂种优势的多组学机理

目前，栽培马铃薯主要是同源四倍体，基因组复杂，杂交后代性状分离严重，导致育种周期长，品种更新慢。近年来，中国农业科学院深圳农业基因组所黄三文研究团队联合多家单位发起了“优薯计划”，即运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖，对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。在之前的研究中，该团队成功培育出高纯合度的二倍体马铃薯自交系和杂种优势显著的二倍体杂交马铃薯。虽然杂种优势的研究在种子植物中已有一些进展，但无性繁殖作物的杂种优势机理却少见报道。

2022年1月，中国农业科学院深圳农业基因组所张春芝/黄三文课题组在《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表了题为“The multi-omics basis of potato heterosis”的研究论文。该研究通过整合转录组、代谢组和DNA甲基化的多组学数据，探索了马铃薯3个发育时期杂种优势的遗传和分子机理。该研究发现在二倍体马铃薯中，杂种优势的建立主要是依靠基因的显性互补。二倍体杂交马铃薯在花色、育性和淀粉合成等方面表现出显著的基因表达及功能互补。能量代谢在杂种优势中也发挥了不可或缺的作用。在苗期，与中亲值相比，F降低了次生代谢产物的合成并适当下调部分基础防御基因的表达，将更多物质用于初生代谢来为苗期的营养生长提供更多的能量。淀粉和蛋白质作为块茎干物质中的主要成分在F中也得到了优先合成。除此之外，该研究还发现F中存在大量偏好表达基因，这些基因会偏向表达父本或者母本的等位基因，显著富集在能量代谢、胁迫响应、淀粉合成等途径，并且可能受CHH类型的甲基化调控，这说明马铃薯F或许可以通过特异表达来自父母本的优势等位基因来更好地适应环境，以获得更强的杂种优势表型。该研究首次揭示了二倍体杂交马铃薯杂种优势的多组学机理，为二倍体马铃薯育种提供了理论基础。