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【聚焦馬鈴薯】顛覆認知！我國“優薯計劃”或迎來重大突破

2023-05-09 16:42:54

[ 導讀 ] 我國“優薯計劃”或迎來重大突破。

很少有人知道，我們在快餐店吃的薯條幾乎都來自一百多年前育成的馬鈴薯品種——作為全球13億人口的主糧，馬鈴薯育種進程之緩慢可見一斑。中國科學家為此提出了“優薯計劃”，目的就是讓中國乃至全世界的人們吃上更高產、更優質的馬鈴薯（又名土豆）。

如今，這項計劃迎來重大突破：中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文團隊研究發明了一種“進化透鏡”技術，給農業育種家一雙“火眼金睛”，能夠及早發現出阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走錯路”，讓優質高產土豆更快面世。

北京時間2023年5月4日深夜，這一最新研究成果的論文以“利用進化基因組學鑒定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種”為題，發表于國際學術期刊《細胞》（Cell）。

“這項研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，從科學上講和育種上講都是非常重要的，對其他作物育種同樣具有重要啟示。”中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康點評說，該研究預示著作物育種進入一個新階段，即育種家們不能僅僅關注自己的“一畝三分地”，還需要從一個更大的進化維度思考育種的新策略。

研究團隊利用進化基因組學鑒定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種示意圖。

土豆的綠色革命

黃三文為該論文的通訊作者，據他介紹，馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國第四大主糧作物，具有產量高、用水少、可種植地域廣等優點。然而，由于傳統栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，導致育種進程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等問題。

為解決上述難題，黃三文團隊聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”，旨在用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。

“我們有兩個目標，一個是將馬鈴薯的育種周期由原來的10～12年縮短至3～5年，一個是繁殖系數提高1000倍。”黃三文說。

2020年11月，黃三文團隊帶著基因組設計育種獲得的第一代二倍體馬鈴薯雜交種子，專程拜訪了當時還在世的袁隆平院士，向他詳細介紹了“優薯計劃”研究取得的突破性進展。袁隆平聽取匯報后十分開心，專門為“優薯計劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術是顛覆性創新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

盡管如此，馬鈴薯基因組中存在的有害突變，仍然是擺在研究團隊面前的一座大山。要說清楚這一問題，還要從達爾文的進化論說起。

當前地球上多種多樣的物種是經歷了億萬年的進化而形成的，進化過程中，物種的基因組并非一成不變，不過一些具有重要功能的位點是不會改變的，它們會在進化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現象為“進化約束”，把這些位點稱為“進化保守位點”。

找到那些高度保守的位點，正是“優薯計劃”的關鍵。

不選壯苗選弱苗

論文第一作者、中國農業科學院深圳農業基因組研究所博士后吳瑤瑤表示，團隊為此收集了大量茄科物種資源，完成了38個茄科基因組的組裝，并利用大數據技術，將100個茄科物種的基因組進行比較，最終開發出新的進化透鏡技術。

進化透鏡，又被稱為“歷史透鏡”，即通過生物體的進化歷史快速、有效地鑒定并定量進化保守位點，其最長橫跨8000萬年進化歷史，累計達12億年。團隊利用該技術鑒定出1700萬個高度保守的位點，其中36%位于先前被認為沒有功能的非編碼區域。

“這些位點在億萬年的進化過程中都很難發生改變，說明它們對馬鈴薯的生存是極為重要的。”吳瑤瑤說，如果這些位點發生了突變，有可能對馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產量減少等不良影響。

團隊利用這些保守位點信息，結合馬鈴薯群體的信息，構建了馬鈴薯有害突變二維圖譜，將人們對馬鈴薯基因組的認知從一維的線的認識升級到二維的面的認識。有了圖譜，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中有害突變，篩選好的育種材料，預測馬鈴薯產量等表型。

根據進化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學家們發現傳統育種過程中，選擇生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系起始材料的做法可能會南轅北轍，可能會導致在選育過程中子代從父母本中獲得更多有害突變反而不利于馬鈴薯的自交系構建。相反，生長較弱的馬鈴薯遺傳給子代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。

“這一‘不選壯苗選弱苗’的反直覺規律，不僅顛覆了以往的認知，而且還能夠提早2-3年預測馬鈴薯的自交系育種結果，從而快速創建更多優良馬鈴薯自交系。”黃三文說。

種業創新“皇冠上的明珠”

黃三文表示借助該圖譜，團隊還開發了一個新的預測模型，科學家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前預測馬鈴薯育種材料的產量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，讓人們更快地享受到更好的馬鈴薯品種。

評審專家認為，該成果可以更好地指導馬鈴薯育種決策，加速馬鈴薯育種進程，標志著我國馬鈴薯育種已經領先全球，率先進入了基因組設計育種新時代。

“如何將塊莖繁殖的四倍體馬鈴薯，變革為種子繁殖的二倍體雜交馬鈴薯，是馬鈴薯產業的世界性難題，也是種業創新‘皇冠上的明珠’。”中國農業科學院黨組書記楊振海說，“優薯計劃”團隊相繼破解了馬鈴薯基因組解析、自交不親和、自交衰退等重大難題，培育出第一代自交系材料及雜交種，相關成果均已在國際頂尖學術期刊發表，如今又為馬鈴薯育種親本選擇及品種改良提供新的科學依據。這些原創性基礎性科研成果既得到了國內外同行的高度認可，也為加快實現二倍體雜交馬鈴薯育種奠定了堅實基礎。

中國科學院院士、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋認為，這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用。

中國科學院院士、中國農業科學院作物科學研究所研究員錢前說，這項研究基于茄科植物進化基因組學，開發進化透鏡技術，鑒定了馬鈴薯基因組上的有害突變，并將其應用到解決馬鈴薯育種難題中，大幅地提高馬鈴薯全基因組預測效率，這將實現雜交馬鈴薯育種的早期決策，加速育種進程，通過剔除有害變異和聚合有益變異的策略，有望在短期內通過基因組設計創建更多高產優質雜交馬鈴薯。

“我們農業育種離不開大數據，離不開遺傳學、基因組學的布局。這一最新成果即便在國際上也是獨樹一幟的。”中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌說，研究團隊敏銳地捕捉并完成了這一前沿并具挑戰性的工作，創新性地應用了比較基因組學與進化生物學來指導馬鈴薯育種，對我國種業技術創新具有重要意義。

來源：中國青年報

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