【文献解读】如何利用基因剂量效应加速甘薯育种进程？

文献名称：Refining polyploid breeding in sweet potato through allele dosage enhancement

发表期刊： nature plants

影响因子：15.8

发表时间：2024.12.12

大约40%的栽培植物物种是多倍体。与二倍体相比，多倍体通常表现出更强的生长活力和更广泛的地理分布。多倍体全基因组研究揭示了基因的加性效应和非加性效应对基因表达的影响。例如，拟南芥异源四倍体中具有加性效应的基因表达比例为65%～95%，而具有非加性效应的基因表达比例为5%～38%。到目前为止，基因剂量效应主要是在基因表达水平和若干个克隆基因上进行的研究。然而，甘薯中等位基因剂量效应与农艺性状之间的关系仍然知之甚少，这为进一步的性状改良提供了一条有希望的途径。

以往的多倍体群体遗传研究采用的是一种简化的方法，即将多倍体视为二倍体进行群体遗传分析，这导致了杂合位点信息的遗漏和等位基因剂量效应的不准确估计，随着测序技术和算法的进步，这些问题正在逐渐得以改善。

甘薯（ Ipomoea batatas L.）是全球重要的粮食作物，2022年甘薯年产量约8640万吨，中国是世界上最大的甘薯生产国和消费国，占全球产量的54%。甘薯属于六倍体作物，基因组庞大且复杂使得育种困难重重。本研究主要探索等位基因剂量效应在甘薯育种中发挥的作用，为甘薯分子育种提供研究基础。

通过对294份六倍体甘薯的全基因组重 测序 ，绘制了一份包含等位基因剂量信息的甘薯全基因组变异图谱。研究人员利用GWASpoly软件进行了全基因组关联分析，共鉴定出650个与基因剂量相关的 QTL。 与两种纯合基因型相比，杂合基因型的材料表现出中间表型，这些QTL的加性效应（加性效应主要是由多个微效基因的作用累积而成的，这些基因型值的累加形成了性状的表型值）在很大程度上促进了甘薯的性状改良。与剂量相关的QTL的表型解释率（phenotypic variance explained，PVE）在59.60%至75.23%（例如，块根重量为72.58%，果肉颜色为72.64%）。结果揭示了与剂量相关的QTL作为甘薯分子辅助育种遗传资 源潜力。

此外，研 究人员还发现了几个可能的候选基因。染色体1、7和11上与果肉颜色相关的QTL包含 IbCCD4、IbPSY 和 IbOr ，分别与拟南芥 CCD4 和 PSY 以及花菜 Or 同源；2号染色体上与块根重量相关的一个基因 IbEXPA4 ，可能与植物细胞壁软化和细胞增大有关。说明与剂量相关的QTL与植物性状息息相关。

图1 甘薯的全基因组关联分析结果。

与（Colombian-Venezuelan和Peruvian-Ecuadorian）基因库相比，Mesoamerican基因库表现出对育种更加有利的农艺性状。为了研究这种差异是否与有利等位基因的剂量积累有关，研究人员分析了与高密度种植、块根重量和 果肉颜色相关的9个QTL，研究了3个基因库中不同的种质间有利等位基因剂量的分布情况。结果显示，9个QTL的高剂量有利等位基因主要来自Colombian-Venezuelan/Mesoamerican基因库，其中有5个由Mesoamerican基因库贡献，3个由Colombian-Venezuelan基因库贡献，1个由两者共同贡献。说明Mesoamerican基因库中有利等位基因剂量的积累对甘薯的性状改良起到积极作用。

图2 基因库对甘薯性状改良中有利等位基因积累的贡献。

了解等位基因剂量对育种的影响，可以进一步地为甘薯性状改良提供数据支撑。为了评估等位基因剂量在甘薯育种中的作用，研究人员量化了等位基因在地方品种、B2000和A2000品种中的累积量 。结果显示，有利等位基因剂量的变化可能有助于块根性状的改善，高剂量有利 等位基因的基因型在甘薯育种中逐渐被积累。

图3 甘薯育种过程中有利等位基因的积累。

研究人员针对与块根重量相关的一个基因 IbEXPA4 进行了研究，结果表明 IbEXPA4 的表达与有利等位基因的剂量呈负相关。也就是说，有利等位基因以剂量依赖的方式抑制 IbEXPA4 的表达，从而提高块根的重量。

紧接着，研究人员构建了 过表达的 IbEXPA4 转基因株系和RNA干扰（RNAi）转基因株系， 研究 IbEXPA4 在甘薯根部发育过程中的作用 。过表达 IbEXPA4 的细胞系，其根部木质化程度增加，负向调控块根的生长；而 IbEXPA4 -RNAi的细胞系则加速了块根形成。

通过转录组测序，在过表达 IbEXPA4 植株和野生型植株中共鉴定到4651个差异表达基因。GO分析显示，这些差异表达基因主要参与木质素代谢、细胞壁组织生长和细胞分裂等过程。

图4 甘薯块根重量候选基因的功能验证。