遗传学和基因组学研究促进甘薯的品种改良：现状与展望

2022年5月5日， Plant Communications 杂志在线发表了辰山植物园题为“Exploring and exploiting genetics and genomics for sweetpotato improvement: Status and perspectives”的综述。文章全面总结了多倍体作物甘薯在遗传学、基因组学和育种等领域的研究成果，并对未来番薯属植物在遗传学等领域的研究推动甘薯育种方式的更新进行了展望。

甘薯是世界上第七大农作物，具有复杂的六倍体基因组，造成甘薯在遗传学、基因组学及育种等研究领域面临诸多困难。科学家和育种学家经过多年的努力，在甘薯遗传学和育种领域取得了许多重要突破和进展（图1），文中对此进行了系统阐述和总结。

图1 甘薯遗传学与育种的重要里程碑事件

甘薯隶属于旋花科番薯属，该属约有800个物种。番薯属的物种作为甘薯的近缘野生种，对于丰富甘薯种质资源和品种改良有重要价值。目前，番薯属已有6个物种完成基因组组装，包括甘薯（I. batatas）、三浅裂野牵牛（I. trifida）、三裂叶牵牛（I. triloba）、牵牛（I. nil）、圆叶牵牛（I. purpurea）和空心菜（I. aquatica）。番薯属共有5个基因组数据库，提供上述基因组等数据的浏览与下载。

甘薯遗传起源方式一直存在争论，主要有三个假说：同源多倍体假说、部分异源多倍体假说和异源多倍体假说（图2）。综合细胞遗传学和全基因组分析，表明甘薯为异源多倍体，由二倍体祖先种和四倍体祖先种杂交产生。二倍体祖先最可能是I. trifida，四倍体祖先尚存在争议。

图2 甘薯起源假说示意图

由于甘薯具有典型的复杂多倍体基因组，常规二倍体物种的分析方法不适用于甘薯的遗传学研究，因此开发了适合多倍体研究的生物信息学软件，应用于甘薯比较基因组学、遗传学和功能基因定位等领域。在此基础上，甘薯的种质资源的遗传评价和功能基因定位取得了一系列重要的成果，对甘薯产量、质量、块根发育以及抗性等重要农艺性状开展分子标记定位和开发。

该综述也系统阐述了甘薯育种的方法与进展。在传统育种方面，通过双亲杂交、集团杂交、远缘杂交、体细胞融合以及诱变育种等多种方法，育种家们培育了大量优质的甘薯品种。在分子育种方面，通过转基因、RNA干扰以及CRISPR/Cas9技术构建了生物抗性强、环境耐受力强以及淀粉品质改良等甘薯新品种。

最后，该综述展望了未来甘薯遗传学、基因组学研究方向及甘薯育种方式（图3）。甘薯多组学数据以及高通量表型获取将有效促进甘薯功能基因的挖掘与利用。另一方面，分子标记选择、基因组选择和基因编辑技术将大大加速甘薯的育种进程。

图3 甘薯遗传学研究和育种方式展望

辰山植物园杨俊研究员和王红霞副研究员为论文的共同通讯作者，颜梦晓副研究员为论文的第一作者，聂好真博士等参与了综述的撰写。肯塔基大学的袁凌教授对该论文进行了修改。该研究得到了“杂粮作物核心资源遗传本底评价和深度解析”国家重点研发计划（2019YFD1000700）和上海市绿化和市容管理局科学技术项目等资金支持。

文：王红霞