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2024年10月5日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）“優薯計劃”團隊張春芝課題組、黃三文課題組聯合華中農業大學楊萬能課題組在《自然·通訊（Nature Communications）》期刊上發表了題為“Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato”的研究論文，通過對二倍體雜交馬鈴薯“優薯1号”F2群體的大規模遺傳與多組學分析，解析了其産量與育性雜種優勢産生的遺傳機理，克隆了對馬鈴薯育性雜種優勢具有重要作用的顯性效應基因PV1，為馬鈴薯雜交育種提供了寶貴的遺傳資源。
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雜種優勢是指雜交子代在生長勢、生活力、繁殖力、抗逆性以及産量和品質等方面表現出優于雙親的特性，是生物界普遍存在的一種遺傳現象。在農業生産中，利用雜種優勢可以培育出更高産、更優質的農作物品種，為保障糧食安全和促進農業發展發揮重要作用。
在前期研究中，“優薯計劃”團隊已經建立了二倍體馬鈴薯雜種優勢利用育種體系，但是雜種優勢形成的遺傳機制尚不清楚。在該研究中，研究人員對雜種優勢顯著的二倍體雜交種“優薯1号”進行自交，創制了一份包含1064個單株的F2分離群體，可通過組培長期儲存，并進行多年多點重複評價，該群體是研究馬鈴薯雜種優勢機理的理想群體。研究人員首先廣泛調查了該群體的多組學性狀，包括人工調查的産量相關性狀（株高、塊莖大小、塊莖數量等）、基于表型組學技術采集的性狀（塊莖高光譜、結構光等）以及塊莖轉錄組與代謝組共20,382個性狀。通過遺傳與多組學分析，鑒定到25,770個QTL，并建構了馬鈴薯系統遺傳學（Systems Genetics）調控網絡。利用該網絡，研究人員快速高效地鑒定到調控該群體塊莖茄堿積累的轉錄因子GAME9，證明了這套遺傳網絡在馬鈴薯基因挖掘方面的潛力。
随後，對鑒定到的所有QTL進行雜種優勢效應分析發現，育性/塊莖産量與代謝物含量呈現出相反的遺傳效應。控制産量和花粉育性的QTL主要呈現顯性效應，即雜交種的表現優于中親值，而控制塊莖代謝物含量的QTL（mQTL）主要呈現隐性效應，即雜交種中的含量低于中親值。進一步研究發現塊莖中80%的小分子代謝物與幹物質含量呈顯著負相關，雖然多數mQTL降低了雜合體小分子代謝物的含量，但對幹物質含量卻呈現了正向雜種優勢效應，這一現象可能與雜交種對資源/能量的高效或偏好利用有關。此外，研究人員還克隆了一個具有顯性雜種優勢效應的PV1基因，該基因能夠賦予雜交種更好的花粉活力以及結實率。
圖1 | 文章研究思路
圖2 | 馬鈴薯産量與代謝物雜種優勢遺傳解析
綜上所述，該研究通過大規模的遺傳與雜種優勢分析，闡明了二倍體馬鈴薯雜交種“優薯1号”雜種優勢的遺傳機理，為馬鈴薯功能基因挖掘與雜交育種奠定了堅實的基礎。
基因組所（大鵬灣實驗室）博士後李大偉、華中農業大學博士生耿澤棟為該論文的共同第一作者，基因組所（大鵬灣實驗室）張春芝研究員、黃三文研究員，華中農業大學楊萬能教授為該論文的通訊作者。該研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、國家自然科學基金、中國農科院科技創新工程、博士後創新人才支援計劃等項目資助。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-53044-4
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