马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物，养活了全球大约13亿人口。栽培马铃薯是同源四倍体，主要靠薯块进行无性繁殖。并且马铃薯的基因组高度杂合，有害突变镶嵌在四套染色体中，依靠复杂的遗传重组才能使优良基因聚合。目前广泛种植的一些四倍体品种，例如美国的Russet Burbank（1902年育成）等已经有上百年的历史， 这表明改良四倍体马铃薯难度高、见效慢。

随着基因组测序和育种技术的发展，中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员联合各优势单位发起了“优薯计划”，即运用基因组设计的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。自2017年提出以来，“优薯计划”取得了一系列成果，在国际顶级期刊发表多篇重量级文章，这其中就少不了HiFi测序的身影。我们一起来看看HiFi有着怎样的贡献吧~

该研究所采用的二倍体马铃薯品系RH，基因组杂合度高达2%，存在大量相似的同源片段。这种重复序列多的基因组组装困难，对高杂合基因组进行分型也是一个很大的挑战 。

研究人员采用了二代和三代测序结合的方法进行了基因组组装，尤其是利用HiFi测序获得了高准确率、高连续性（contig N50 达到2Mb）的组装片段，并且成功区分成两套单倍型，在遗传图谱和Hi-C数据的辅助下成功实现了染色体级别的单倍型组装。

对基因组的两套单倍型进行比较，发现二倍体马铃薯内存在20583个可能引起基因功能变化的有害突变，并且这些有害突变分散在两个单倍型中，呈现马赛克式交叉分布。

研究人员重点关注了1号染色体上的幼苗白化基因（WS1/ws1）和株型基因（PA1/pa1）。这两个基因的有害基因型（ws1和pa1）位于两条等位基因上且与正常基因型（WS1和PA1）紧密连锁(图1)，并且在2000个自交后代中仅观察到2株分离个体，说明通过表型选择的传统杂交手段消除有害突变、积累优良基因十分困难。

图1.两个连锁的有害基因(ws1,pa1)定位

该研究完成了杂合二倍体马铃薯染色体级别的单倍型组装，通过分析有害突变，发现了有害基因和正常基因的紧密连锁现象，为快速打破有害等位基因连锁、构建优良自交系提供了基因组学支持。

解析栽培马铃薯基因组对挖掘和利用有益基因、开展分子育种十分重要。所以他们选择了一种抗晚疫病的高产商品化同源四倍体马铃薯品种Collication-88(C88)进行测序和基因组组装。

同源多倍体的基因组组装，最大的挑战在于区分高度相似的同源染色体序列。

在本研究中，作者使用HiFi测序获得了高准确度序列，并在全基因组组装图中引入了“polyploid graph binning”方法，利用分组信息辅助区分四套同源染色体。最终获得 3.15 Gb组装序列，其中3.03 Gb 被锚定到48条染色体上，并且检测到44个端粒。Contig N50可达18.78 Mb，BUSCO完整性达到98.4%，并且包含有很多未报道过的近着丝粒区域序列。

通过比较基因组学和遗传学分析，研究人员发现同源染色体之间存在大量的序列差异，并且亲本之间存在有害突变基因型的互相掩盖和功能基因的互补（图2）。

图2.父本和母本染色体上的有害突变和功能基因

C88的母本为印度马铃薯I1085，其具有优良适应性和一般抗性；父本为来自S. tuberosum群体Andigena品种的不明抗枯萎病种质，晚疫病抗性强而适应性较差。对父母本染色体进行比较，发现父本染色体携带的2366个纯合有害突变会被母本染色体掩盖成杂合状态，降低了有害突变的不良影响。而C88父本染色体贡献了两个抗晚疫病基因R1，R2，是C88优良抗性的来源。对同源染色体上有害突变和功能基因的分析，能够为马铃薯基因组设计育种选择合适的亲本提供全面的信息。