茄科植物Solanum verrucosum广谱种间兼容性的遗传基础及其在作物育种中的应用价值

这篇研究揭示了茄科植物Solanum verrucosum（Sv）独特的种间兼容性遗传机制，通过QTL定位发现染色体1的S-RNase缺失和染色体11新位点ui11.1共同调控其作为"遗传桥梁"的特性。研究结合基因组测序和表达分析，首次证实非S位点因子参与茄属植物生殖隔离，为利用野生种质资源改良栽培马铃薯（Solanum tuberosum）提供了关键靶点。

　　

研究背景

Solanum verrucosum（2x=2n=24）是茄科茄属（Solanum sect. Petota）中独特的物种，作为目前已知唯一同时具备完全自交亲和性（SC）且缺乏合子前种间生殖障碍（IRBs）的4分支二倍体马铃薯，其能接受来自远缘野生种的 pollen，成为连接栽培马铃薯与三级基因库的"遗传桥梁"。这种特性与其S-RNase表达缺失直接相关，但前期研究表明仅敲除S-RNase无法完全复现其表型，暗示存在其他遗传因子。

研究方法

研究团队构建了包含150个个体的F₂群体（MSJJ1821），亲本为栽培种DM1S1（具IRBs）和野生种MSII1813-2（无IRBs）。通过Illumina SolCAP SNP芯片进行基因分型，结合表型分析（自交和种间授粉实验），定位到2个显著QTL：位于染色体1（含S位点，解释22.4%表型变异）和染色体11（ui11.1，解释34.2%变异）。利用PacBio HiFi技术完成MSII1813-2染色体级别基因组组装（738Mb，BUSCO完整度99.3%），并通过RNA-seq分析生殖器官差异表达基因。

关键发现

1. 1.

   双因子调控模型：

   • •

     染色体1的S-RNase（Solver.v1.01_VERG042990）在IRBs表型个体中显著低表达（图5），证实其在种间不亲和中的核心作用

   • •

     染色体11的ui11.1位点（40.1-42.1Mb）发现脂肪酸还原酶基因（Soltu.DM.11G021610.1），其表达量与IRBs缺失显著相关（图7），这是首次在茄属中发现非S位点IRBs调控因子

2. 2.

   雄性育性调控网络：

   定位到3个雄性育性QTL，涉及：

   • •

     染色体3的磷脂:二酰基甘油酰基转移酶（PDAT）

   • •

     染色体8的果胶乙酰酯酶（PAE）基因簇

   • •

     染色体9的凝集素受体激酶（LecRK）

3. 3.

   基因组结构特征：

   MSII1813-2基因组与栽培种DM1-3 516 R44保持高度共线性（图6），但在ui11.1区域存在15个DM1S1特有基因和14个Sv特有基因，可能参与种间屏障演化。

应用验证

通过重复授粉实验证实：

• •

  所有携带纯合Sv型ui11.1等位基因的F₂个体均能突破与1 EBN物种（如S. tarnii和S. commersonii）的合子后屏障（图8）

• •

  种子产量存在基因型特异性差异，MSJJ1821F2-049杂交效率显著高于其他株系，表明存在微效多基因调控

研究意义

该研究不仅解析了Sv广谱兼容性的分子机制（S-RNase缺失+ui11.1激活），更开发出可直接用于育种的分子标记。通过引入SvSC性状，育种家可绕过传统桥杂交步骤，直接将三级基因库的晚疫病抗性等优良性状导入栽培种，显著加速马铃薯遗传改良进程。发现的ui11.1位点为研究植物生殖隔离进化提供了新视角。