圖1 利用基因組編輯技術(shù)創(chuàng)制自交親和的二倍體馬鈴薯
a：在普通二倍體馬鈴薯的花柱中，花粉管的延伸會(huì)受到抑制，而S-RNase基因突變的花柱中，花粉管可以正常生長(zhǎng)。
b：普通二倍體馬鈴薯由于自交不親和自花授粉后不會(huì)產(chǎn)生果實(shí)，而S-RNase基因突變后的馬鈴薯自花授粉可以產(chǎn)生飽滿的果實(shí)。
圖2 馬鈴薯全基因組范圍內(nèi)的偏分離及自交衰退相關(guān)表型
a－c：三個(gè)自交群體的偏分離情況。紅色越高表示偏分離的情況越嚴(yán)重，箭頭表示大效應(yīng)有害突變所在的位置。
d、f、h、j和l表示正常植株，e、g、i、k、m和n分別表示對(duì)應(yīng)的突變性狀，如根發(fā)育畸形、白化苗、葉緣黃化、葉片褪綠、多分枝和過(guò)度營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。
馬鈴薯的雜交種子，將在這里誕生。
2018年12月底的昆明，風(fēng)和日麗，如春天般溫暖。陽(yáng)光透過(guò)溫室頂棚的玻璃，投射在一棵棵綠色的小苗上。
它們的無(wú)數(shù)后代中將會(huì)出現(xiàn)未來(lái)馬鈴薯的二倍體親本。到那個(gè)時(shí)候，農(nóng)民種在地里的將不再是馬鈴薯薯塊，而是一粒粒馬鈴薯種子；各種各樣符合消費(fèi)者多樣化需求的馬鈴薯品種也會(huì)百“薯”齊放。
這就是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院“優(yōu)薯計(jì)劃”描繪的未來(lái)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的圖景。
“優(yōu)薯計(jì)劃”瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)性障礙
你可能想像不到，我們現(xiàn)在吃的馬鈴薯和幾十年前人們吃的是同樣的品種。
和其他農(nóng)產(chǎn)品新品種層出不窮的情況不同，優(yōu)質(zhì)馬鈴薯新品種并不多。一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植，如美國(guó)的Russet Burbank（1902年育成）和荷蘭的Bintje（1904年育成）。中國(guó)栽培面積最大的品種“克新1號(hào)”是1958年育成的，至今已經(jīng)種植了近60年。
作為一種營(yíng)養(yǎng)全面的世界第三大主糧作物，卻缺乏有效的育種手段，新品種選育周期漫長(zhǎng)，一般需要10-15年，且難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的育種目標(biāo)，不能滿足生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)高產(chǎn)、抗病和多樣化用途新品種的需要。
“這是因?yàn)橐恢贝嬖趦蓚€(gè)結(jié)構(gòu)性障礙制約著馬鈴薯深入研究和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展”。“優(yōu)薯計(jì)劃”首席科學(xué)家、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員黃三文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，馬鈴薯普通栽培種是同源四倍體，其雜交后代性狀分離，導(dǎo)致其育種研究困難；而且，四倍體馬鈴薯栽培品種主要通過(guò)薯塊繁殖，繁殖系數(shù)低，只有1:10，用種成本高，易攜帶病蟲害，不僅制約了優(yōu)良新品種的迅速大面積推廣應(yīng)用，也是導(dǎo)致我國(guó)平均單產(chǎn)水平很低的主要原因之一。
2017年1月，黃三文用一只馬克筆在辦公室的白色玻璃隔斷上寫下馬鈴薯雜交育種的創(chuàng)想。“馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展急需重大科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。”他說(shuō)。
那就是用雜交種子種馬鈴薯。
為了破除上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)性障礙，“優(yōu)薯計(jì)劃”應(yīng)運(yùn)而生。黃三文介紹，“優(yōu)薯計(jì)劃”將用二倍體自交系替代同源四倍體栽培品種進(jìn)行雜交育種，可將育種周期從10-15年縮短為3-5年，大幅度提高育種效率；用儲(chǔ)運(yùn)方便且不帶主要病蟲害的雜交種子替代塊莖繁殖，將把繁殖系數(shù)提高1000倍，為我國(guó)每年節(jié)省1000萬(wàn)畝種薯繁育用地，并解決1000萬(wàn)噸種薯儲(chǔ)運(yùn)難題。
2017年和2018年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)與深圳市領(lǐng)導(dǎo)兩次前往優(yōu)薯計(jì)劃承擔(dān)單位——中國(guó)農(nóng)科院深圳基因組所（以下簡(jiǎn)稱基因組所）調(diào)研“優(yōu)薯計(jì)劃”；2017年3月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織國(guó)內(nèi)馬鈴薯專家前往項(xiàng)目單位云南師范大學(xué)聽取“優(yōu)薯計(jì)劃”項(xiàng)目匯報(bào)；2017年3月由多名國(guó)內(nèi)外院士組成的專家小組論證了“優(yōu)薯計(jì)劃”，一致認(rèn)為該計(jì)劃意義重大，應(yīng)盡快啟動(dòng)。
2017年，在中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、深圳市和云南省的大力支持下，“優(yōu)薯計(jì)劃”按照既定目標(biāo)開始推進(jìn)。
黃三文向記者強(qiáng)調(diào)，選擇云南師范大學(xué)作為合作方，是因?yàn)樵颇蠋煼洞髮W(xué)擁有40年歷史的馬鈴薯傳統(tǒng)特色學(xué)科和豐富育種經(jīng)驗(yàn)，其成果-新品種“合作88”的培育入選了我國(guó)與國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織（CGIAR）戰(zhàn)略合作30年來(lái)的標(biāo)志性成果。為了更有效地推動(dòng)這個(gè)計(jì)劃，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和云南師范大學(xué)聯(lián)合成立了馬鈴薯科學(xué)研究院。
攻克馬鈴薯自交不親和難題
盡管栽培馬鈴薯品種不多，遺傳背景單一，但是自然界中70%的馬鈴薯種質(zhì)為二倍體，其豐富的遺傳變異為“優(yōu)薯計(jì)劃”的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。
不過(guò)，二倍體馬鈴薯普遍存在自交不親和和自交衰退現(xiàn)象，限制了自交系的創(chuàng)制。自交不親和是指具有完全花并可以寫成正常雌雄配子，但不能自花授粉結(jié)實(shí)的一種自交不育性。
而自交衰退在異花授粉植物中也是一種普遍存在的現(xiàn)象：在進(jìn)行連續(xù)多代自交后，會(huì)出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退，表現(xiàn)為生長(zhǎng)勢(shì)減弱、產(chǎn)量降低。
這兩種現(xiàn)象都是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，保證了遺傳多樣性，有利于進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境。
“然而，這是擺在“優(yōu)薯計(jì)劃”面前的兩大絆腳石。”黃三文說(shuō)。
他們第一項(xiàng)重要工作就是攻克馬鈴薯自交不親和的難題。
領(lǐng)銜這項(xiàng)工作的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的博士后張春芝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，克服自交不親和的傳統(tǒng)方式是利用來(lái)自野生馬鈴薯中的自交不親和抑制基因（S-locus inhibitor，Sli），但是Sli基因被導(dǎo)入栽培種后會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)匍匐莖、高龍葵素含量等一系列不良的農(nóng)藝性狀，增加了遺傳改良的難度。
為了尋找一種更有效的克服自交不親和的方法，他們創(chuàng)新性地利用基因組編輯技術(shù)解決這一難題。馬鈴薯的自交不親和是由核糖核酸酶基因（S-RNase）控制的，該基因在不同材料中的多態(tài)性非常高，很難通過(guò)同源克隆的方法克隆到S-RNase基因的全長(zhǎng)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)柱頭轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行從頭拼接，可以獲得S-RNase基因的全長(zhǎng)序列，并利用基因組編輯技術(shù)對(duì)此基因進(jìn)行了定點(diǎn)突變，獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯，并通過(guò)自交獲得了不含有外源片段和任何野生基因組片段的馬鈴薯新材料。
這種新材料可以直接應(yīng)用到育種過(guò)程中，為“優(yōu)薯計(jì)劃”的順利實(shí)施提供保障。
2018年8月13日，《自然—植物（Nature Plants）》雜志在線發(fā)表了云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院和基因組所研究團(tuán)隊(duì)的上述成果，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)發(fā)表的首篇重要研究論文。
英國(guó)詹姆斯?赫頓研究所馬克?泰勒（Mark Taylor）博士為此撰寫了評(píng)論，認(rèn)為該研究開辟了二倍體馬鈴薯育種的新途徑，拓展了自交親和馬鈴薯資源，將加速馬鈴薯的遺傳改良。另外，泰勒也指出，雖然目前二倍體馬鈴薯的產(chǎn)量低于四倍體，但是沒(méi)有證據(jù)表明二倍體一定比四倍體差，而且利用基因組編輯技術(shù)解決自交不親和的問(wèn)題也間接證明了在二倍體水平上進(jìn)行的遺傳改良將更加快速和高效。
向更好吃的馬鈴薯推進(jìn)
倫敦時(shí)間2019年1月14日，《自然—遺傳》（Nature Genetics）雜志在線發(fā)表了團(tuán)隊(duì)完成的馬鈴薯自交衰退遺傳機(jī)制解析的研究成果，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)取得的第二項(xiàng)重大理論突破。
隱性有害等位基因隱藏在高度雜合的四倍體基因組中，使得優(yōu)良等位基因很難聚合在一起，這是導(dǎo)致馬鈴薯育種周期長(zhǎng)的主要原因。
論文第一作者張春芝告訴記者，他們鑒定了全基因組范圍內(nèi)共344,831個(gè)有害突變，并發(fā)現(xiàn)任意兩份二倍體材料之間相同的有害突變僅為11％。
“這說(shuō)明不同品系馬鈴薯的有害突變差異性比較大，可以通過(guò)雜交讓這些有害突變不表達(dá)出來(lái)，從而獲得具有雜種優(yōu)勢(shì)的F1雜交種。”張春芝說(shuō)。
最終，他們鑒定出5個(gè)純合致死位點(diǎn)以及4個(gè)影響長(zhǎng)勢(shì)的位點(diǎn)。而且這些大效應(yīng)的有害突變主要位于重組率比較高的區(qū)域，說(shuō)明是可以通過(guò)遺傳重組將它們有效清除的。
“第二個(gè)絆腳石也能被搬開。發(fā)現(xiàn)這些有害基因位點(diǎn)，將會(huì)大大提高我們培育出具有雜種優(yōu)勢(shì)材料的速度。最終，我們將會(huì)通過(guò)雜交選育淘汰自交衰退基因，培育出馬鈴薯雜交種子。但這還需要時(shí)間。”黃三文說(shuō)。
與此同時(shí)，優(yōu)薯計(jì)劃已經(jīng)把目光投向了馬鈴薯的風(fēng)味問(wèn)題。
云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院教授尚軼和黃三文團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的多組學(xué)代謝研究體系正用于馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味形成分子機(jī)制研究。
尚軼告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，植物合成出數(shù)量巨大、結(jié)構(gòu)異常豐富的次生代謝產(chǎn)物。這些化合物在調(diào)節(jié)植物和外界環(huán)境的相互作用中發(fā)揮著重要作用，影響了作物的營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味品質(zhì)，同時(shí)也為醫(yī)藥、化妝品等商品提供了重要的原料來(lái)源。
隨著組學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組以及蛋白組等多種組學(xué)技術(shù)，發(fā)掘控制植物次生代謝產(chǎn)物合成、調(diào)控、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程的關(guān)鍵基因已越來(lái)越普遍。相關(guān)研究將為培育營(yíng)養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特、口感好的馬鈴薯新品種提供理論和技術(shù)支持。
記者獲悉，歐洲已有3家公司投入大量資金研發(fā)馬鈴薯雜交種子，而美國(guó)多位馬鈴薯科學(xué)家也于2016年聯(lián)合發(fā)表文章，呼吁加強(qiáng)馬鈴薯二倍體研究。但目前，他們多采用傳統(tǒng)育種手段，而我國(guó)的優(yōu)薯計(jì)劃是最早采用基因組手段研究馬鈴薯二倍體的。
相關(guān)論文信息：
DOI：10.1038/s41477-018-0218-6；
DOI：10.1111/tpj.14132；
DOI：10.1038/s41588-018-0319-1。
