黄三文院士重测序转录组代谢组表型组解析杂种优势对马铃薯影响

作者：迈维代谢发布时间：2024-10-18

马铃薯是世界上最重要的块茎作物，然而马铃薯四倍体遗传的复杂性限制了马铃薯的遗传研究。研究开发了一种基因组设计方法，并基于两个近交系创建了一个二倍体杂交马铃薯，它们在块茎性状、基因表达和代谢物含量等方面具有显著的差异。由这两个品系产生的F2分离群体是马铃薯大规模遗传分析，特别是杂种优势遗传解剖的理想资源。

2024年10月5日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）“优薯计划”团队张春芝课题组、黄三文课题组联合华中农业大学杨万能课题组在nature communicaitons上发表了题为“Integrative multi-omics analysis reveals genetic and heterotic contributions to male fertility and yield in potato”的研究文章，利用重测序、转录组、代谢组、表型组等多个组学技术手段，对F2分离群体进行遗传分析。迈维代谢为本研究提供了植物广泛靶向代谢组学的检测和分析服务。

1.近交系F2群体遗传图谱：建立高通量表型组检测和分析系统

以2个纯合子二倍体自交系A6-26和E4-63为材料，构建了一个组织培养保存的永生化F2群体，共有1064个个体。对所有F2植株进行了重测序，平均覆盖率为3倍，并基于SNP构建了高密度基因型和遗传图谱用于QTL定位。

为了促进马铃薯基因发现的进展，开发了一套融合多组学技术的高通量表型组检测与分析系统，并将马铃薯表型组进一步划分为宏观表型组和微观表型组。宏观表型包括人工和高通量光学成像（RGB相机、高光谱成像和结构光成像）研究的性状。由此得到了537个宏观性状，包括花粉活力、产量相关性状、块茎结构相关性状、形态相关性状等。微观性状由块茎的转录组和代谢组组成。在过滤掉低质量的数据后，鉴定出19166个表达基因和679个代谢物进行遗传和杂种分析。

图1.近交系F2群体遗传和杂种优势分析示意图

2.多组学性状的QTL定位：确认高效表型检测方法及代谢物潜在主要调控因子

应用复合区间作图方法绘制了数量性状图谱，鉴定出135个宏观表型QTL（图2a）。1064个个体的5个产量性状之间的相关性显示，块茎数、块茎大小和株高对两年内块茎产量均有正相关贡献，而块茎大小和块茎数呈负相关，这与大量的观测结果一致（图2b）。在135个QTL中，68个与基于RGB图像的地上性状相关，包括茎绿度相关性状、茎形态相关性状。块茎大小和块茎反射率的相关系数表明，块茎大小与近红外总反射率呈正相关（R > 0.7，所有波长的p值< 2.2 × 10），而与可见光平均反射率呈负相关（R <−0.4，所有波长的p值< 2.2 × 10）（图2c）。

为了进一步将块茎光谱数据与块茎相关性状联系起来，使用逐步线性回归分析对它们进行建模。研究发现，块茎反射率可以作为块茎干物质和块茎产量的良好指标，但直接测量块茎反射率费时费力。通过10倍交叉验证，进一步确定了预测块茎干物质和产量最有效的波长，对块茎干物质和块茎产量的最佳相关系数（R）预测精度分别为0.81和0.62，说明这些块茎反射率性状可用于高干物质或高产量马铃薯品系的无损选择。同样的策略被用于预测块茎代谢物的含量，利用高光谱反射率可以很好地预测162种代谢产物（R > 0.5）。这些结果表明，高通量光学成像系统可以用于马铃薯的高效表型检测。

为了探索与基因表达相关的遗传变异，使用标准化FPKM值进行了eQTL定位，约43.0%的基因（6735个）受一个以上eQTL调控。为了更好地了解eQTL的调控机制，根据eQTL与对应基因的距离，将其进一步分为7273个本地eQTL和17098个远端eQTL。在数据集中，确定了9个远端eQTL热点（p值< 0.01）。这些热点包含3009个相关，可以调控2876个基因的表达（图2a）。

对于块茎代谢组，发现不同种类的代谢物可以通过它们的相关强度进行分离（图2d）。某些代谢物丰度高度相关的相似积累模式表明它们可能受到相同的调控或受单一途径上游代谢物丰度变化影响。鉴定到538种代谢物的1264个mQTL（图2a），69.1%具有一个以上的mQTL。此外一些高相关性的代谢物被定位到相同的遗传区域。这一发现有助于确定这些代谢物的潜在主调控因子。

图2.全基因组QTL研究及不同性状的相关性

3.F2群体的遗传网络构建：良好应用于发现新基因

应用系统遗传学方法构建该群体的遗传网络，首先进行WGCNA分析，共发现了21个模块。接下来，根据QTL定位结果，分析了调节基因表达和块茎相关性状（代谢物含量和产量相关性状），定义为所谓的三重关系（图3a）。

马铃薯块茎的茄碱含量是一种驯化性状，对块茎品质起重要作用（图3b）。由于鉴定出的茄碱高度相关，进一步使用降维方法进行QTL定位，在chr01上发现了相同的位点。WGCNA数据显示，模块20与各类型茄碱高度相关。KEGG分析M20中“类固醇生物合成”项的基因显著富集。基于三联关系，茄碱-共通bin C01G_Bin334也调控了19个基因，只有St_E4-63_C01G002818属于M20。基因表达与代谢物的相关数据显示，只有St_E463_C01G002818与所有共定位茄碱具有显著相关（q值< 0.001）（图3c）。根据其基因注释，St_E463_C01G002818编码一种乙烯应答转录因子GAME9，这是茄碱的主要调控因子。然后检测了双亲块茎GAME9的表达水平和茄碱含量，结果表明GAME9在该群体中负责茄碱的积累。对共定位的黄酮醇采用了相同的策略，并确定了两个候选基因。这些结果证明了该遗传网络的高效，预示着它在基因发现中的良好应用。

图3.系统遗传网络

4.马铃薯二倍体的单位点杂种优势效应：代谢物和产量杂种效应呈现出不同的模式

为了更好地了解马铃薯杂种优势的机制，通过将杂合子基因型与两种纯合子基因型进行比较，利用每个QTL的显性度（d/a）来评估单位点杂种优势效应。雄性育性和块茎产量是杂交马铃薯育种的两个关键性状。通过分析，鉴定出4个花粉活力QTL和24个产量相关QTL。在所有28个QTL中，有21个在2年（包括1年性状）表现出一致的杂种优势模式。（部分）显性构成了主要的杂种优势效应，其次是过显性（图4a）。杂种优势的显性模型表明，杂合QTL的性状值与优势纯合基因型的性状值相同。

因此为进一步阐明F1杂种优势等位基因的贡献，对所有显性QTL的性状值进行了评估。两亲本对产量和花粉活力的贡献几乎相等（图4b）。A6-26和E4-63都对杂交块茎产量有贡献。在过显性或伪过显性QTL中，TY1 （C01G_Bin337）在2021年和2023年均表现出最大的杂种优势效应，分别解释了2021年和2023年表型变异的6.55%和4.21%（图4a）。对TY1性状值分析表明，TY1/TY1的产量显著高于TY1/TY1 （E/E， p值= 6.9 × 10）和TY1/TY1 (A/A， p值= 1.6 × 10)，而亲本间差异不显著（p值= 0.28）（图4c）。TY1在2023年也发现了相同的杂种优势模式。有趣的是，C01G_Bin337是3个产量相关性状（块茎产量、块茎大小和株高）的共同QTL。与块茎产量一致，C01G_Bin337（块茎大小TS1）也表现为过显性/伪过显性（图4a）。在产量杂种优势上不存在隐性或欠显性的负杂种优势效应。在杂合基因型中，所有产量QTL都对产量表现有正贡献或加性贡献，导致F1杂交种的产量优势。为了更深入地了解产量杂种优势，需要进一步努力将已鉴定的QTL解析到单基因水平。

基因的表达模式对作物杂种优势也有影响，加性效应是基因表达的主要遗传效应。约37.7%的eQTL表现出加性效应，说明这些eQTL在杂合子基因型中控制的基因表达水平约为两个（组合）纯合子基因型的一半。然后关注（部分）显性/过显性，并进一步鉴定了1878个eQTLs阳性的基因（所有与基因表达相关的eQTLs都表现出显性或过显性效应）。KEGG分析发现，eQTLs阳性的基因在一些主要代谢途径中显著富集，如“柠檬酸循环”和“氨基酸的生物合成”，这可能与块茎中的能量代谢过程有关。

在估计代谢物的杂种效应时发现了不同的模式。与产量相关性状相比，隐性模型（51.5%）代表了代谢物的主要杂种优势效应（图4d）。显性和过显性分别仅占12.3%和3.9%（图4d）。虽然初级代谢物比次级代谢物与更多的阳性mQTL相关，但初级代谢物和次级代谢物的总体模式与整个代谢物的模式一致。这意味着大多数mQTL倾向于导致杂合基因型含有较少的小分子代谢物，而不是中间亲值。之前的研究表明，F1块茎中的大多数代谢物表现为负亲本杂种优势，这与F2群体的研究结果一致。根据对F1杂交的推测，这表明杂合基因型块茎的能量优先用于合成淀粉和蛋白质等干物质，而本研究使用的代谢组技术无法检测到这些干物质。相关分析显示，84.0%的代谢物与干物质呈负相关（p值< 0.01）（图4e）。然后，使用干物质作为输入特征来评估mQTL的d/a。对于隐性/欠显性mQTL，干物质的隐性或欠显性效应仅为19.0%，而显性/过显性效应增加至73.1%，与干物质和代谢物的模式相反（F1块茎中干物质含量较多，代谢物含量较少）。这些结果进一步支持了代谢物在杂种优势方面的发现。

图4.二倍体杂种杂种优势的单位点效应

5.果胶甲基酯酶有助于雄性育性杂种优势：具有较好的花粉活力和花粉管萌发能力

在4个花粉活力QTL中，LOD值最高的chr07位点（PV1）表现出显性杂种优势效应（图4a和图5a），性状值分析显示该有益等位基因来自A6-26亲本（图5b），虽然A6-26的花粉活力不如E4-63，但A6-26的产子率高于E4-63。为了研究PV1是否与这种现象有关，基于基因组和转录组学数据分析得到控制花粉活力的主要基因PME。

为了验证PME基因在马铃薯中的功能，在二倍体马铃薯中构建了突变株（图5c）。与野生型（WT）植物相比，植物的花粉活力（34-45%）显著降低（~80%）（图5d-e）。扫描电镜显示，植物的一些花粉粒表现出异常的形态。体外萌发试验显示，与WT植物相比，植物的萌发花粉数量减少（图5f）。与这一表型相一致的是，植株自花时每个果实产生的种子数量较少，WT植株的平均种子数量超过植株的3倍以上（图5h）。这些结果表明，植株的表型是由PME基因突变引起的。综上所述具有显性杂种优势效应的PME基因具有较好的花粉活力和较强的花粉管萌发能力，导致杂种的雄性育性杂种优势。

图5.PME基因对马铃薯雄性育性杂种优势有贡献

产量相关QTL的正杂种优势效应和代谢物QTL的负杂种优势效应有助于产量优势的形成。此外PME基因具有显性杂种优势，在雄性不育杂种优势中起重要作用。本研究为马铃薯育种提供了遗传资源，有利于杂种优势在二倍体马铃薯育种中的应用。

产品介绍

1. 新技术：国家发明专利技术，物质定性定量更准！

2013年，广泛靶向代谢组技术发表于国际高影响力期刊Molecular Plant；

2013年，广泛靶向代谢组技术获得国家发明专利（专利号：201010562426.8）；

2016年，国家知识产权局授权武汉迈维代谢生物科技有限公司为现专利权人；

2017年，迈维代谢获得广泛靶向独家商标使用权限；

2.新物质：自建本地数据库35000+，物质鉴定更准！更特异！

迈维代谢自建植物来源物质数据库，包括初生代谢物2200+种，以及33000+种植物特异性物质（次生代谢物）。积累了344个植物科属的项目经验，有助于挖掘物种特色代谢通路、鉴定到有重要生物学功能的物质、讲有价值的学术故事。除了检测到具有植物特异性物质（黄酮、生物碱等）以外，同时能检测到物种特色物质，这些物质信息能让我们的研究有差异，更有创新的研究价值。