中外团队构建首个单倍型解析的四倍体马铃薯泛基因组

4月18日，中新网西安(记者阿琳娜)记者18日从Xi交通大学获悉，学校智能网络与网络安全教育部重点实验室、电信系自动化学院与德国马普植物育种研究所、慕尼黑大学等国际科研团队合作，建立了第一个四倍体马铃薯泛基因组进行单倍分析。相关研究成果在发表时发表《Nature》期刊。这项研究促进了土豆基因组研究的理论和技术创新，解码了85%的欧洲四倍体土豆物种的遗传变异，为智能繁殖和全球粮食安全提供了关键的组织学资源。

据了解，土豆起源于南美洲安第斯高地，大约一万年前就被驯化了。16世纪中期，西班牙航海家将其引入欧洲，然后传播到世界各地，成为最重要的块茎粮食作物。目前，世界上有13亿多人以土豆为主食，中国已成为世界上最大的生产国，年产量近1亿吨。土豆优良品种的培育对确保中国乃至世界的粮食安全具有重要意义。

然而，大多数商业土豆都是同源的四倍体：简言之，每个细胞基因组中的每个染色体序列都有四个像孪生兄弟一样相似的副本(A1/A2/A3/A4)。由于每个副本序列(即基因组分析和重建)的区别和组装一直是科学界的全球挑战，对四倍体土豆遗传信息的认知仍然存在巨大差距。最近，科学家们通过建立遗传地图成功地破解了个别类型的基因组，但这只相当于获得了一些拼图的碎片。四倍体土豆物种水平的遗传多样性全景仍然不清楚。基因组的复杂性和挑战

为了分析四倍体土豆物种的遗传多样性，追溯其繁殖历史，为数字智能繁殖提供分子水平的科学论证，科研团队启动了泛基因组研究。

科研团队创新地制定了同源四倍体基因组分析重建方法——tetraDecoder，它解决了分析挑战。该方法减少了对遗传地图的依赖，降低了测序技术的门槛。它仅基于参考基因组、三代长片段全基因组测序技术和染色体构象捕获技术，构建序列相互作用地图，并选择friend-of-实现基因组分析的friend聚类算法，实验测试证明其分析精度超过98%。

研究小组筛选了10个四倍体马铃薯(起源于1810年)～1932年)重建了40套高质量的单倍基因组。土豆谱系分析表明，这些历史品种是欧洲土豆繁殖史上的核心材料，广泛应用于现代品种的杂交栽培，代表了欧洲种植土豆的遗传多样性，可以为评价现代品种的遗传潜力提供重要参考。

科研团队建立了世界上第一个单倍分析的四倍体土豆泛基因组，解码了物种85%的遗传变异。分析发现：(1)基因组中单倍数序列的差异非常显著(约2%)。该团队推断，这种现象与野生物质的大规模基因渗透有关。序列多样性为土豆适应环境奠定了基础，也增强了生物学研究的复杂性。(2)基因组中特定单倍数的数量非常有限。在40套单倍基因组中，10-kb窗口中的平均值只有9种特定的单倍盐。这种现象就像厨房炉子上装满了调味瓶，但是“有限单倍”的遗传多样性为土豆的现代繁殖提供了方向：在追求产量和质量的同时，我们应该注意提高单倍多样性(如引入外源基因或使用基因组编辑等技术)，以提高其抗病性、抗旱性和环境适应性。

科研团队还提出了一种基于单倍图谱的基因组分析新策略，可以更高效、更经济地处理分析问题。历史性土豆类型基因组中的单倍型有限，而土豆通过根传播的次数较少，基因组重组的次数较少，这意味着现代基因组有一个高度保守的大片段序列。结合这一科学发现，利用tetradecoder分析的40套历史性单倍型基因组构建单倍型图，并建立参考系统。通过短读长序列的比较和图遍历算法的设计和优化，可以更高效、更经济地重建当代炸薯条的单倍型基因组。Russet Burbank以tetraDecoder模式为例，验证了新策略的有效性，其成本仅为tetraDecoder模式的5%。

上述研究突破了同源多倍体基因组分析的关键技术瓶颈，其中单倍体图分析策略降低了95%的分析成本;构建了世界上第一个单倍分析的四倍体马铃薯泛基因组，系统描述了其遗传多样性蓝图，揭示了“极高杂合度”“有限单倍型”的遗传多样性丰富了基因组理论，弥补了领域研究的空白。这些成果不仅为土豆基因组的研究提供了新的视角，而且为土豆基因组的现代繁殖指明了一个重要的方向。