西安交通大學(xué)教授孫賀全聯(lián)合國(guó)際團(tuán)隊(duì)，多年持續(xù)攻關(guān)——

破解馬鈴薯的“基因密碼”

　　基因研究一直是全球科學(xué)界的重要話題之一。

　　學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為，馬鈴薯基因組在植物進(jìn)化史上呈現(xiàn)出獨(dú)特的演化特征。馬鈴薯基因組有著極其復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，基因序列的遺傳多樣性甚至高于人類。這也導(dǎo)致馬鈴薯的“基因密碼”一直以來(lái)都是世界之謎。

　　西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部教授孫賀全聯(lián)合國(guó)際團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)多年持續(xù)攻關(guān)，成功破解了馬鈴薯的“基因密碼”，填補(bǔ)了基因研究領(lǐng)域的國(guó)際空白，為數(shù)智化育種提供了科學(xué)依據(jù)。近日，相關(guān)研究成果在《自然》發(fā)表。

　　4月17日，孫賀全接受了記者專訪。

　　記者：作為電子與信息學(xué)部的教授，您為何進(jìn)行基因研究？

　　孫賀全：很多人都問(wèn)過(guò)我這個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上，我擅長(zhǎng)的研究領(lǐng)域是生物信息學(xué)——這是一個(gè)典型的交叉學(xué)科領(lǐng)域，融合了生命科學(xué)與信息技術(shù)的知識(shí)。簡(jiǎn)單說(shuō)，該領(lǐng)域致力于運(yùn)用先進(jìn)的信息處理技術(shù)和智能算法，破解生命科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜難題。

　　如今，海量的測(cè)序數(shù)據(jù)為生命科學(xué)研究帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。而我的工作，就是通過(guò)智能計(jì)算和數(shù)據(jù)分析方法設(shè)計(jì)，在浩瀚的“數(shù)據(jù)海洋”中為生物學(xué)研究尋找所需的數(shù)據(jù)支撐，為解碼生命奧秘提供新的研究視角和方法支撐。

　　記者：馬鈴薯的基因組復(fù)雜在哪里？

　　孫賀全：我們可以用人類基因組來(lái)類比。人類的基因組是二倍體，也就是由兩套單倍體染色體組構(gòu)成，一套來(lái)自父親，一套來(lái)自母親。每套單倍體染色體組包含23條染色體，每條染色體上分布著上千個(gè)基因。

　　常見(jiàn)的馬鈴薯是同源四倍體，意味著它的細(xì)胞里含有四套高度相似的染色體。想象一下，如果人類的基因組是兩本相似但略有不同的密碼本，那馬鈴薯的基因組就是四本內(nèi)容相近但細(xì)節(jié)不同的密碼本。由于這四套染色體組的序列極其相似甚至被共享，科學(xué)家很難精準(zhǔn)區(qū)分它們。這種復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)，使得馬鈴薯的雜交育種異常困難。

　　記者：在破解馬鈴薯“基因密碼”的過(guò)程中，您和團(tuán)隊(duì)在哪些方面取得了突破？

　　孫賀全：我們?cè)��?jīng)在2022年通過(guò)構(gòu)建遺傳圖譜的方式建立了馬鈴薯基因間的連鎖關(guān)系，區(qū)分了個(gè)別馬鈴薯品種的四套單倍型基因組。遺傳圖譜可以告訴我們?nèi)旧�體上眾多基因的排列組合關(guān)系，但構(gòu)建遺傳圖譜需要大量的時(shí)間、空間和費(fèi)用，且構(gòu)建遺傳圖譜所需的關(guān)鍵測(cè)序技術(shù)門檻高、不易實(shí)現(xiàn)。

　　為了突破這個(gè)技術(shù)瓶頸，我們基于簡(jiǎn)單易得的測(cè)序數(shù)據(jù)技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了基因組分型重建方法。研究中，我們篩選出10個(gè)傳統(tǒng)的同源四倍體基因組馬鈴薯。這10個(gè)馬鈴薯相當(dāng)于馬鈴薯“祖先”，現(xiàn)在的馬鈴薯中有很多都是由這10個(gè)馬鈴薯品種雜交而來(lái)。

　　我們用新方法為這10個(gè)馬鈴薯重建了40套高質(zhì)量單倍型基因組。在研究中，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，這40套單倍型基因組在不同基因組區(qū)間內(nèi)平均只有9種不同的序列。同時(shí)，這些不同序列兩兩之間的差異非常大，差異率在2%左右，比目前報(bào)道的其他糧食作物的都要高。這就是馬鈴薯特有的“基因密碼”。

　　記者：研究中遇到了哪些困難？

　　孫賀全：在研究籌劃階段，我們計(jì)劃利用遺傳圖譜破譯馬鈴薯基因組。但是，構(gòu)建遺傳圖譜需要大量的時(shí)間、空間，且費(fèi)用十分高昂。

　　我們不得不打消了構(gòu)建遺傳圖譜的念頭。

　　自2016年起，我們開(kāi)始進(jìn)行馬鈴薯的基因組重建研究。但由于基因序列的精確重建排列非常復(fù)雜，我們一直嘗試，一直失敗。通過(guò)近10年的持續(xù)研究，在一次次失敗和經(jīng)驗(yàn)積累中，我們最終取得了成功。

　　記者：這一研究有什么重要意義？在科研領(lǐng)域有哪些重大突破？

　　孫賀全：馬鈴薯是百姓餐桌上的“�？汀�，全球超13億人以馬鈴薯為主食。中國(guó)更是全球最大的馬鈴薯生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量近1億噸。馬鈴薯優(yōu)良品種的選育，對(duì)保障我國(guó)乃至全球糧食安全都具有重要意義。

　　多年來(lái)，與水稻、小麥相比，馬鈴薯基因組的研究較為落后。我們的研究成果不僅為馬鈴薯或類似馬鈴薯等農(nóng)作物的基因組研究提供了新的視角，還為其現(xiàn)代育種指明了重要方向。

　　我們還構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)單倍型解析的四倍體馬鈴薯泛基因組，系統(tǒng)描繪了其遺傳多樣性藍(lán)圖，揭示了馬鈴薯遺傳多樣性特征，豐富了基因組理論，填補(bǔ)了基因研究領(lǐng)域的國(guó)際空白。(記者 郭詩(shī)夢(mèng))

責(zé)任編輯：王雨蜻