馬鈴薯，俗稱“土豆”，是世界最重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口以馬鈴薯為主食。但是千百年來，它的生產(chǎn)都依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖，導(dǎo)致繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害……中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊最新研究成果一舉顛覆了這一現(xiàn)象，即應(yīng)用“基因組設(shè)計”理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。
這一馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，北京時間6月24日23時在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞（Cell）》，這是“優(yōu)薯計劃”實(shí)施以來取得的里程碑式突破。
據(jù)《雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計》論文的第一作者，中國農(nóng)科院深圳基因組所研究員張春芝介紹，與谷物類糧食作物不同，普通栽培馬鈴薯是依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種，但由于四倍體遺傳的復(fù)雜性，致使馬鈴薯的遺傳改良進(jìn)程緩慢，一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。如美國的薯?xiàng)l加工型品種Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美國的第一大品種。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的，至今已經(jīng)種植了60多年。
目前，二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯研究領(lǐng)域熱點(diǎn)，荷蘭、中國和美國等國科學(xué)家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作。但要實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。
張春芝解釋，自交不親和是指植物自花授粉后不會產(chǎn)生種子的現(xiàn)象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和問題。在前期研究中，黃三文團(tuán)隊通過基因組編輯技術(shù)敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因，篩選到了S-RNase的天然突變體，并克隆了來自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和問題。
“自交衰退則是指生物在自交之后出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退，表現(xiàn)為生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低等”。張春芝表示，馬鈴薯作為異交作物，在長期的無性繁殖過程中，累積了大量的隱性有害突變，一旦自交之后，有害突變的不良效應(yīng)便會顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致自交衰退。與自交不親和由少數(shù)幾個基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更難克服。荷蘭科學(xué)家在2011年就公布了雜交馬鈴薯的進(jìn)展，但是10年之后仍然面臨自交系純度較低的問題，限制了大規(guī)模商業(yè)化推廣，“主要就是因?yàn)闊o法克服自交衰退的問題”。
同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性，可以通過對遺傳背景差異大的自交系進(jìn)行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應(yīng)。這些研究表明，基于表型選擇的育種策略，難以克服自交衰退的問題，必須借助基因組大數(shù)據(jù)開展設(shè)計育種，才能有效地淘汰有害突變。
在此基礎(chǔ)之上，黃三文團(tuán)隊?wèi){借基因組學(xué)研究方面的優(yōu)勢，利用基因組大數(shù)據(jù)進(jìn)行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設(shè)計育種“四步法”流程：
第一步，用于培育自交系的起始材料的選擇，選擇標(biāo)準(zhǔn)是起始材料的基因組雜合度較低和有害突變數(shù)目較少；
第二步，起始材料自交群體的遺傳解析，主要是根據(jù)全基因組偏分離分析和表型評價，確定大效應(yīng)有害等位基因和優(yōu)良等位基因在基因組中的分布；
第三步，自交系的選育，根據(jù)前景和背景選擇淘汰大效應(yīng)的有害突變，并聚合優(yōu)良等位基因，尤其是要打破大效應(yīng)有害突變和優(yōu)良等位基因之間的連鎖；
最后一步，雜交種的選育，根據(jù)基因組測序的結(jié)果，選擇基因組互補(bǔ)性比較高的自交系進(jìn)行雜交，獲得雜種優(yōu)勢顯著的雜交種。
通過“四步法”，該團(tuán)隊已經(jīng)培育出第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。小區(qū)試驗(yàn)顯示“優(yōu)薯1號”產(chǎn)量接近3噸/畝，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。同時，“優(yōu)薯1號”具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。
“優(yōu)薯1號”的成功選育證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯遺傳改良進(jìn)入了快速迭代的軌道。2020年11月8日，已故“雜交水稻之父”袁隆平院士在聽取該項(xiàng)研究介紹之后，題詞評價：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。
