近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由江苏徐淮地区徐州农业科学研究所曹清河研究员及其合作团队撰写的“Xiaoshu, a simple genetic model system for sweetpotato (Ipomoea batatas (L.) Lam.)”论文。该团队挖掘到一个适合作为甘薯遗传模式系统的野生种，将其命名为“小薯”。“小薯”拥有高度的自交亲和性，基因组纯合度高且为二倍体，生育期短，最重要的是其拥有大多数甘薯野生近缘种所不具有的膨大根。该研究工作利用最新的测序和组装技术，获得了“小薯”完整的无间隙的（T2T）基因组，鉴定到30个端粒和14个着丝粒。针对“小薯”开发了简单高效的、无需组织培养的遗传转化体系。甘薯功能基因在该系统中可以有效地发挥作用，基于CRISPR-Cas9的基因编辑也可成功应用于该系统。上述内容将助力甘薯的遗传学相关的基础研究。
遗传学的基础研究有力地推动了农作物的分子育种进程，为世界的粮食安全提供了有力保障。植物的基础遗传学研究需要一个相对简单的系统。拟南芥因其简单的基因组、较短的生育期、较高的自交亲和性和结实率以及简便的遗传转化方法等特点成为了植物学研究的模式系统。由于不同的物种有各自的特点和遗传规律，这就需要针对特定物种的遗传材料，来作为目标植物或者作物的模式系统，近缘野生种在其中扮演了重要的角色。例如，针对小麦研究的模式物种二穗短柄草（Brachypodium distachyon）和针对小米研究的模式物种青狗尾草（Setaria viridis）等。
甘薯是重要的粮食、饲料作物，富含碳水化合物、维生素等多种营养物质，广泛种植于世界100多个国家和地区。尽管甘薯有着重要的地位，但是其遗传学研究却较为落后，主要原因是其遗传背景复杂。甘薯属于旋花科(Convolvulaceae) 番薯属(Ipomoea)一年或多年生作物，基因组杂合度高且为六倍体，多数品种自交不亲和，即使自交成功，后代性状分离严重。上述特点限制了甘薯遗传群体的构建、优异等位变异的挖掘以及功能基因的验证等基础研究。亟需合适的模式系统来推进甘薯的遗传学研究。
江苏徐淮地区徐州农业科学研究所曹清河研究团队在甘薯种质库中发现一份具有膨大根的毛果甘薯（I.cordatotriloba）种质，将其命名为“小薯”。该种质自交亲和且可产生足量种子，其根部轻微膨大（图1a，b和c）。显微观察显示，其根部横切面存在不规则排列的次生形成层，次生形成层周围有大量充满淀粉粒的薄壁细胞（图1d）。其根部可以在没有外施营养成分的条件下发芽成苗，显示出了贮藏根的特性。
为了获得“小薯”的高质量参考基因组，91.72 Gb的PacBio HiFi reads、31.17 Gb的ONT超长reads以及96 Gb的Hi-C reads用来进行联合组装。经过多轮组装和补洞，最终获得了拥有15条完整染色体的，无间隙（T2T）的完整参考基因组。基因组全长454,814,757 bp，BUSCO分析其完整度达到97.5%。共预测到40,238个蛋白编码基因，其中37,834个基因有功能注释。239,714,975 bp的序列为重复序列（图1e）。
结合番薯属现有基因组构建进化树，发现“小薯”与I.triloba亲缘关系最近，二者是除了I.trifida之外，与甘薯亲缘关系最近的二倍体野生种（图1g）。通过与甘薯基因组进行比较分析，挖掘到2,372 个插入型和5,938 个缺失型的结构变异（SV）。对SV可能影响到的基因进行富集分析发现，与碳水化合物代谢相关的基因显著富集，这可能与块根的淀粉填充和甜味的形成有关。除此之外，与花粉识别相关的基因也出现了富集，这可能与两个物种间的育性差异有关。
研究人员还分析了“小薯”基因组中的着丝粒和端粒的结构，共鉴定到完整的30个端粒和14个着丝粒。着丝粒的长度介于114,631 bp和 1,712,130 bp之间（图1f）。着丝粒中共包含134个基因，基因密度远低于非着丝粒区。77.6%的基因在根、茎和叶组织样本中不表达，表达率远低于非着丝粒区。着丝粒基因富集于DNA的甲基化、DNA结合等通路。
模式研究系统需要建立稳定高效的遗传转化流程。番薯属中多个物种都是天然的转基因植物，其无性繁殖的特点使其可以通过非组培的方式快速获得转基因植株。研究人员参照甘薯的转基因体系，以幼苗为外植体，在茎段切口涂抹和浸润农杆菌。最终获得了转基因阳性的粗根，阳性率甚至高达95%（图1i和j）。阳性的粗根可以萌芽、成苗并获得后代（T1）（图1k）。研究人员验证了甘薯中的功能基因IbMYB1，可以在“小薯”中稳定表达并发挥功能，产生紫色的根系（图1n和o）。通过CRISPR-Cas9编辑“小薯”中的功能基因PDS，也顺利获得了白化的幼苗（图1m）。以上结果说明“小薯”可以为甘薯基因功能的验证提供稳定的平台。
图1 甘薯遗传模式系统的建立
江苏徐淮地区徐州农业科学研究所青年科技人员肖世卓博士和王珧博士生为论文共同第一作者，曹清河研究员和兰州大学许攀博士为共同通讯作者。研究工作得到了江苏省自然科学基金、国家甘薯产业技术体系、国家重点研发项目以及江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14528
文章来源：植物生物技术Pbj
