自三代测序技术面世以来，基因组的相关研究迈上了一个新台阶，无论是完整性、连续性、准确性较二代测序技术组装基因组均有较大的提升。凌恩生物也紧随前沿，整合多种优势技术及信息分析平台，涵盖Illumina，Pacbio等多种测序平台，为广大科研工作者提供国际领先的动植物基因组de novo测序方案。基因组经过全方位的突破后，除了对单个高质量基因组的研究，同时也可以进行泛基因组（Pan-genome）研究。
本期继续为大家分享的高分文献就是一篇发表在《Nature》上植物基因组结合泛基因组研究的文章，作者利用HiFi和Hi-C技术组装了44个高质量的二倍体马铃薯基因组，并进行了泛基因组的研究。这项研究将加速杂交马铃薯育种，丰富我们对马铃薯作为全球主要粮食作物的进化和生物学的认识。
发表期刊：Nature
发表时间：2022
影响因子：69.504
DOI: 10.1038/s41586-022-04822-x
一、研究背景
马铃薯是世界上最重要的非谷类粮食作物，绝大多数商业种植的马铃薯品种都是高度杂合子的四倍体。基于真种子的二倍体杂交育种的进展有可能彻底改变未来的马铃薯育种和生产。到目前为止，对野生马铃薯和栽培马铃薯基因组进化和多样性的研究相对较少，这限制了马铃薯基因组多样性在育种中的应用。
二、研究方法
图1 技术路线图
三、主要结果
1、Petota类群的泛基因组
本研究获得了24.5Gb的HiFi reads，并利用高通量染色质构象捕获（Hi-C）技术，将7个具有代表性的基因组组装到染色体水平。组装得到的基因组大小为835.1 Mb到1.71 Gb，利用马尔可夫聚类算法将预测到的2,701,787个基因进行聚类，构建了包含51,401个泛基因组簇的泛基因组。
2、Petota及其邻近物种的系统发育
为了推断Petota及其姐妹类群Lycopersicon和Etuberosum之间的进化关系，利用PacBio长序列对外群Solanum etuberosum和Solanum palustre进行了测序和de novo组装，采用超矩阵法和多物种聚类法，推断物种间的进化关系。通过构建系统进化树，在所有的1,899棵进化树中，共有334棵（17.6%）树支持Etuberosum为Petota的姐妹分支（图2-a）。并利用D检验发现Petota和Etuberosum之间存在明显的基因流（图2-c）。
图2 茄属植物的地理分布和系统发育。
3、抗性基因库的扩展
研究人员开发了一个NLR注释的流程，并以一个基于抗性基因富集测序（RenSeq）的番茄NLR数据集对其进行了基准测试，结果得到了57,683个NLR基因。NLR拷贝数在马铃薯物种之间差异很大（图3a）。在Etuberosum和番茄基因组中预测到了280-344个NLRs，并观察到在马铃薯MTG（monoploid assembled contigs）组装中显著扩增（图3b）。
图3 马铃薯抗性基因的进化。
4、块茎同源基因
本研究共鉴定出149,663个马铃薯特异性CNSs（6.9 Mb），其中，54.4%的CNSs定位于内含子，可能影响17,871个基因的表达。
为了确定参与块茎发育的候选关键基因，本研究鉴定了732个主要表达在匍匐茎或块茎中的基因，其中229个与马铃薯特异性CNSs相关（图4a）。这些基因包含28个转录因子，其中只有1个属于植物特异性TCP转录因子家族（Soltu.DM.06G025210），且转录组数据表明，该基因主要在马铃薯匍匐茎中表达（图4c）。
为了检验Soltu.DM.06G025210的功能，通过基于CRSPR-Cas9的基因组编辑在二倍体S. tuberosum Group Phureja S15-65克隆中产生敲除突变体。在块茎形成过程中，突变体的匍匐茎转变为分枝，而不是在顶端膨大形成薯块（图4d,e）。只有在适当的生长条件下和足够的时间下，突变体才能产生少量的小块茎。这一现象表明Soltu.DM.06G025210是马铃薯块茎发育的关键基因，将此基因命名为Identity of Tuber 1（IT1）。作者进一步进行了酵母-双杂交文库筛选，确定了块茎形成中维管移动信号分子SELF-PRUNING 6A（SP6A）与IT1有相互作用的关系。
图4 马铃薯块茎鉴定基因的识别。
5、泛基因组引导下的马铃薯杂交育种
作者共鉴定了561,433个高置信SVs（大小超过50 bp），其中55.5%是罕见的。根据20个本地种和4个S. candolleanum构建包含224个大片段的倒位图谱（图5-a）。在3号染色体上发现一个大约5.8Mb的臂内倒置（图5-b）。在该倒置中，存在一个编码β-胡萝卜羟化酶的基因，该酶控制玉米黄质的积累，使块茎呈现黄色。该基因与倒置上的464个基因不可分割（图5-c）。因此，选择具有黄色块茎肉的营养性状个体，可能会导致意外表型的严重连锁阻力。借助构建的泛基因组倒置图谱，育种者现在可以选择合适的供体或受体株系进行回交。
图5 基于泛基因组的大规模倒置图谱。
总结
综上所述，本研究鉴定的44个高质量基因组和普遍的遗传变异为马铃薯全基因组育种提供了有用的资源。这些资源还有助于进一步构建整合44个不同马铃薯种质的基因组和变异的泛基因组参考。此外，IT1的发现及其相互作用因子SP6A的相互作用，将进一步为阐明块茎发育的进化过程奠定基础。
在PacBio平台规模化后，随着HiFi测序成本的降低，使每个项目均能进行泛基因组的构建。凌恩生物紧跟技术发展的步伐，致力于三代动植物基因组相关研究，相信在泛基因组研究热点的时代，也能为您提供专业的测序及技术支持服务，心动不如行动，测序找凌恩，组学科研好伙伴！
参考文献：
Genome evolution and diversity of wild and cultivated potatoes. Nature, 2022.DOI: 10.1038/s41586-022-04822-x
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