基因組重建為馬鈴薯育種轉型打開了方便之門
今天在市場上購買馬鈴薯時,購買者很可能會帶著100多年前就有的品種回家。這證明了傳統馬鈴薯品種的持久受歡迎性。然而,這也凸顯了馬鈴薯品種缺乏遺傳變異的問題。
這可能會產生明顯的後果,在19世紀40年代的愛爾蘭飢荒期間最為突出,在那裡有幾年時間,幾乎所有的馬鈴薯作物都腐爛在地裡,歐洲有數百萬人遭受飢餓,這僅僅是因為種植的單一品種不能抵抗新出現的塊莖枯萎病。在20世紀50年代和60年代的綠色革命期間,科學家和植物育種者成功地使我們的許多主要作物如水稻或小麥的產量大幅提高。然而,馬鈴薯卻沒有得到類似的提高,培育產量更高的新品種的努力直到今天仍然基本上沒有成功。
原因很簡單,但已被證明難以解決,馬鈴薯不是從父親和母親那裡繼承每條染色體的一個拷貝(如人類),而是從父母雙方各繼承每條染色體的兩個拷貝,使它們成為每個染色體有四個拷貝的物種(四倍體)。每條染色體的四份拷貝也意味著每個基因的四份拷貝,這使得生成具有所需個體特性組合的新品種具有高度的挑戰性和耗時性。更重要的是,每條染色體的多份拷貝也使得馬鈴薯基因組重建比人類基因組重建具有更大的技術挑戰。
Korbinian Schneeberger教授小組研究人員已經克服了這一長期存在的障礙,並能夠利用一個簡單而優雅的技巧生成第一個完整的馬鈴薯基因組組裝。Korbinian Schneeberger與Hequan Sun及合作者沒有試圖將四個通常非常相似的染色體副本相互區分開來,而是通過對大量單個花粉細胞的DNA進行測序來規避這一問題。與所有其他細胞相比,每個花粉細胞只包含每個染色體的兩個隨機拷貝;這使得科學家們能夠降低問題的複雜性,並最終重建整個基因組的序列。
對栽培馬鈴薯的完整DNA序列的概述有可能極大地促進育種工作,而且多年來一直是科學家和植物育種者的一個雄心壯志。有了這一信息,科學家們現在可以更容易地確定導致理想或不理想性狀的基因變體,這是育種過程中納入或排除這些變體的第一步。在這項工作的基礎上,我們現在可以實施基因組輔助培育新的馬鈴薯品種,這些品種將具有更高的產量和抗氣候變化的能力,這可能對在未來幾十年提供糧食安全產生巨大影響。