中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯遺傳育種與栽培創(chuàng)新團隊和蔬菜分子設計育種創(chuàng)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(qū)域中，發(fā)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(fā)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(fā)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(qū)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(fā)展，特別是高連續(xù)性ONT超長測序和高精度HIFI測序的結合，有望克服著絲粒或高重復區(qū)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(qū)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(xù)性均顯著優(yōu)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(fā)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(xù)發(fā)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）。基于以上發(fā)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(fā)揮了關鍵作用。該發(fā)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(qū)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(fā)展，具有重要的意義。

      中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯遺傳育種與栽培創(chuàng)新團隊的李廣存研究員和蔬菜分子設計育種創(chuàng)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(yè)科學院蔬菜所楊曉慧副研究員和中國農業(yè)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(yè)科學院和中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)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(yè)技術體系、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項、中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程等項目的支持。

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