馬鈴薯基因組完成圖揭示復雜區域中存在重要農藝性狀相關的高度串聯復制基因簇

      中國農業科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯遺傳育種與栽培創新團隊和蔬菜分子設計育種創新團隊，對馬鈴薯單倍型DM的基因組進行了全序列組裝，獲得了包含24個端粒和12個著絲粒完整序列的馬鈴薯單倍型DM的端粒到端粒（T2T）的基因組完成圖（DM8.1），并在之前馬鈴薯基因組未能完整組裝的高度重復序列區域中，發現了調控重要農藝性狀的大量串聯復制的基因簇。相關研究成果于近日以The gap-free potato genome assembly reveals large tandem gene clusters of agronomical importance in highly repeated genomic regions為題發表在Molecular Plant（IF=21.949）上。

      馬鈴薯是僅次于小麥和水稻的世界第三大糧食作物，其同源四倍體遺傳和高度雜合性限制了馬鈴薯遺傳育種研究。高質量的參考基因組是馬鈴薯遺傳育種研究的重要基礎。雙單倍體DM1-3 516 R44 (DM)基因組在馬鈴薯基因組學、遺傳和育種研究中作為參考基因組一直發揮著重要作用，其基因組版本自最初的DM4.04（PGSC, 2011）開始，歷經十年提高到了DM6.1（Pham et al., 2020），但仍然存在161個gap，端粒和著絲粒結構仍不完整，在這些GAP區域以及端粒和著絲粒結構隱藏著什么遺傳信息不得而知。隨著三代測序技術的發展，特別是高連續性ONT超長測序和高精度HIFI測序的結合，有望克服著絲?；蚋咧貜蛥^域組裝困難的問題。Gap-free基因組是基因組組裝的最終目標，是深入研究著絲粒、富含轉座因子（TE）和重復片段（segmental duplications，SDs）等序列區域的獨特基因和變異（SV）的基礎。目前實現Gap-free基因組的僅有基因組相對較小的水稻、擬南芥和西瓜。

      該研究利用Nanopore ONT Ultra-long reads和Hi-C掛載，并結合多種技術方法進行補洞（gap closing），獲得了包含24個端粒和12個著絲粒完整序列的馬鈴薯單倍型DM的T2T基因組完成圖（DM8.1）（圖1）。

圖1. DM8.1基因組完成圖

      研究首先利用ONT ultra-long reads進行三代組裝和Hi-C掛載，獲得了基因組大小、完整度和連續性均顯著優于DM6.1的基因組版本preDM8，其contig N50是DM6.1的兩倍。preDM8基因組12條染色體僅含有25個gap，少于DM6.1的161個，并且直接獲得了chr05的完整染色體。其次，利用迭代組裝、共線性比較、目標序列長片段擴增和HiFi測序等方法填補了preDM8中的25個gap（圖2）。其中，在HiFi測序補洞過程中，基于Gap兩側5 kb的序列設計引物，使用long-PCR擴增獲得產物并進行測序，結合HiFi測序reads和gap兩側序列進行迭代組裝，最終獲得了馬鈴薯DM的gap-free基因組（DM8.1）。

圖2. DM基因組的Gap填補流程

      研究進一步發現在基因組DM6.1未填補的gap中存在高度串聯重復的基因簇，且這些基因調控馬鈴薯的重要農藝性狀，包括patatin、TPS、Cupin、Leucine-rich repeat等基因（圖3A）。其中塊莖儲藏蛋白patatin基因在馬鈴薯基因組中特異性大量擴增，且這一擴增過程在馬鈴薯物種形成、馴化和育種改良過程中持續發生；除拷貝數大量擴增之外，patatin的基因功能同時受到了強烈的正向選擇；轉錄組分析顯示，這些高度擴增的patatin基因絕大部分在馬鈴薯塊莖中特異性高表達（圖3B-E）?；谝陨习l現，推測patatin基因通過劑量擴增和功能進化在馬鈴薯作物馴化和塊莖形成中發揮了關鍵作用。該發現同時也提示了通過調控單個或少量關鍵基因的拷貝數/絕對劑量來進行作物改良的潛在可行性。

圖3. DM8.1基因組中串聯重復基因簇分析

      該研究成果將促進我們對基因組中高度重復序列區域或高重復結構的重視和認識；DM8.1作為茄科作物中第一個基因組完成圖，也為其他基因組的完成圖組裝提供了參考；另外，DM8.1完成圖將推動馬鈴薯及茄科其他作物遺傳育種研究的快速發展，具有重要的意義。

      中國農業科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯遺傳育種與栽培創新團隊的李廣存研究員和蔬菜分子設計育種創新團隊的程鋒研究員為該論文的共同通訊作者，山東省農業科學院蔬菜所楊曉慧副研究員和中國農業科學院蔬菜花卉研究所博士生張令奎為本文第一作者。中國熱帶農業科學院和中國農業科學院深圳農業基因組研究所的黃三文研究員對該研究進行了指導。該研究得到了國家自然科學基金、山東省良種工程、國家馬鈴薯產業技術體系、中央級公益性科研院所基本科研業務費專項、中國農業科學院科技創新工程等項目的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205222004452