CGM第386期：多重遗传学证据揭示甘薯的起源与驯化

甘薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.，2n = 6x = 90）是重要的粮食作物，年产量约为8900万吨，成为热量、蛋白质、维生素及矿物质的重要来源。甘薯可以适应气候变化导致的全球性炎热和干旱，对于解决全球食品及营养安全问题具有重要意义。然而，由于甘薯的起源和驯化机制尚不明晰，严重限制了甘薯的品种改良和近缘野生种的利用。

图1 甘薯及其近缘野生种的亲缘关系解析

尽管甘薯起源众说纷纭，全基因组序列分析和细胞遗传学证据均表明，甘薯存在二倍体和四倍体祖先种。综合全基因组变异、IbT-DNA序列、同源单倍型序列以及叶绿体基因组等多重遗传学证据，本研究鉴定了甘薯的二倍体和四倍体祖先种，揭示甘薯的亚基因组和母系起源（图1）。如图2A所示，甘薯的二倍体祖先种可能是二倍体赤道番薯（Ipomoea aequatoriensis），为甘薯遗传了B1亚基因组、IbT-DNA2序列、叶绿体支系2遗传。甘薯的四倍体祖先种是四倍体甘薯（Ipomoea batatas 4x），为甘薯贡献了B2亚基因组、IbT-DNA1序列、叶绿体支系1。甘薯由两个祖先种正反交并经历基因组加倍而来。在甘薯形成后，大约50%的区域发生了亚基因组间的基因交换，其中更多的B1亚基因组基因被B2亚基因组所替换（图2B）。

图2 甘薯起源示意图

在明晰甘薯的祖先种的基础上，本研究通过比较甘薯和两个祖先种群体间的遗传多样性等，筛选甘薯的选择性清除区域，挖掘到参与甘薯驯化过程的重要功能基因（图3）。这些基因主要参与块根形成、基因组稳定性维持、生物学抗性、糖运输、钾吸收等方面。其中多重指标均表明，Sporamin基因区段具有明显的选择性清除信号。Sporamin是甘薯块根中重要的储藏蛋白，对于甘薯防御抗性有重要作用。在Sporamin表达量下调的RNAi株系中，甘薯的块根产量显著下降（图4）。说明Sporamin在甘薯的块根形成过程中也扮演了重要作用，在甘薯的驯化和改良过程中可能受到人工选择。

图3 甘薯的选择性清除信号和驯化基因

图4 Sporamin RNAi株系的块根产量下降