“我們吃的薯條，大部分來自一個名為Russet Burbank的馬鈴薯品種，這是1902年育成的，至今已過百年。同時，在我國，栽培面積最大的馬鈴薯品種，叫做克新1號，是我國科學(xué)家在1958年育成的，至今也過了60年”，日前，在中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所舉行的發(fā)布會上，該所研究員張春芝說，“過去，馬鈴薯的遺傳改良一直很慢”。

 

　　近日，《細(xì)胞》雜志在線發(fā)表了題為“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計）”的論文，報道了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊用馬鈴薯二倍體替代四倍體育種，用雜交種子替代薯塊繁殖，并發(fā)布了第一代高純合度二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。
 

　　據(jù)介紹，這一研究成果，突破了百年來馬鈴薯育種的難題，為馬鈴薯雜交育種提供了全新的技術(shù)體系。

 

　　全球第三大糧食作物，為何遭遇百年育種難題

　　2021年2月，云南德宏州，一塊普通的試驗田中，來自中國農(nóng)科院的科學(xué)家們，收獲了300多株特殊的馬鈴薯。
 

　　和普通的馬鈴薯不同，這種被命名為“優(yōu)薯1號”的馬鈴薯，并非由塊莖種植，而是用種子種出來的，它的肉質(zhì)金黃，口感軟糯，且產(chǎn)量很高，每畝可以達(dá)到3噸。它的出現(xiàn)，是一個標(biāo)志性的事件，因為它是馬鈴薯二倍體育種的實驗結(jié)果，是百年馬鈴薯育種難題得到突破的象征。

 

　　馬鈴薯，這種發(fā)源自南美的作物，在16世紀(jì)，由西班牙殖民者將它帶到歐洲，此后的數(shù)百年中，這種營養(yǎng)豐富全面，且耐寒、耐旱、耐貧瘠的作物，迅速傳播到全球，成為全球第三大糧食作物，全世界13億人以它為主要糧食。在中國，馬鈴薯是小麥、水稻、玉米之外的第四大糧食作物，當(dāng)前種植面積超過7000萬畝，產(chǎn)量達(dá)到1億噸。

 

　　在農(nóng)業(yè)科技高速發(fā)展的今天，糧食作物育種技術(shù)突飛猛進，品種快速更新，小麥、水稻、玉米、大豆等，都是如此。但馬鈴薯例外，當(dāng)前全球主要種植的馬鈴薯品種，都是數(shù)十年乃至百年前育成的。
 

　　“不是這些老品種足夠好，而是馬鈴薯育種本身的難度，使得科學(xué)家們很難育成新的、更好的品種。”張春芝說。
 

　　馬鈴薯育種難，難在它的特殊的基因組，“當(dāng)前主要的糧食作物育種，都是二倍體育種，而馬鈴薯是四倍體，”張春芝介紹，“所謂二倍體，就是一種生物，有兩套基因組，四倍體自然就是有四套。一般來說，雜交育種，就是通過雜交，使作物獲得新的基因，并穩(wěn)定遺傳下去，比如高產(chǎn)的基因、抗逆的基因等。很顯然，基因組倍數(shù)越高，雜交育種就越難”。
 

　　塊莖繁殖，馬鈴薯的種子出了什么問題

　　馬鈴薯是茄科植物，和其他茄科植物一樣，它也會開花結(jié)果，結(jié)出形似圓茄子但個頭更小的果實，成熟的果實中含有種子，可以播種繁衍。
 

　　但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，并不用種子來種植，而是用馬鈴薯的塊莖進行無性繁殖?？茖W(xué)家介紹，“馬鈴薯在生長中容易積累病毒，而通過塊莖進行無性繁殖的做法，使得它所積累的病毒難以去除，這些病毒不會對人產(chǎn)生影響，卻會影響新的植株生長，使它容易感染病害，從而減產(chǎn)，且會造成品種的快速退化。所以，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，科學(xué)家們發(fā)明了脫毒技術(shù)，人們種植脫毒后的種薯，來保障生產(chǎn)。”
 

　　不論是塊莖繁殖，還是脫毒技術(shù)，都會造成馬鈴薯生產(chǎn)成本的提高，張春芝介紹，“1顆馬鈴薯切塊種植后，一般只能產(chǎn)出10倍左右的塊莖。種1畝馬鈴薯，一般需要200公斤馬鈴薯，成本非常高，而且種薯的栽培、儲存、運輸、損耗等，都要比一般的糧食種子更高”。
 

　　那么，為什么不用種子來生產(chǎn)呢？張春芝介紹，“傳統(tǒng)四倍體的馬鈴薯種子，也能種出來，但種出來的馬鈴薯，性狀差異非常大，穩(wěn)定性很低，品質(zhì)不能保證，大部分都比親本的薯塊差。上世紀(jì)八九十年代，科學(xué)家們曾經(jīng)推廣過四倍體種子種植，但最終因為這一原因而終止”。
 

　　科學(xué)家們也曾嘗試突破四倍體育種，來育成性狀更穩(wěn)定的新品種，但相對二倍體育種，四倍體育種的難度是幾何性提升的，張春芝介紹，“雜交育種中，育成的品種具有雜種優(yōu)勢，但想要獲得這一優(yōu)勢，雜交的父本和母本卻不能雜，反而要非常純，在常規(guī)育種中，科學(xué)家們會先通過選育，純化父母本，然后用純化后的父母本雜交，獲得表現(xiàn)整齊一致的雜交種。馬鈴薯育種也是如此，問題就在于，四倍體的馬鈴薯，想要純化非常難。這第一步，就擋住了許許多多的科學(xué)家”。
 

　　二倍體種質(zhì)資源，找到另外一條路

　　2015年，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下，基因組所聯(lián)合云南師范大學(xué)等單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，即運用“基因組設(shè)計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯。黃三文團隊即是這一計劃的執(zhí)行者。
 

　　在四倍體育種困難重重的環(huán)境下，科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)而尋找新的路徑，其中之一，就是二倍體育種。
 

　　“馬鈴薯能不能像其他糧食作物一樣，進行二倍體育種呢？”作為團隊科學(xué)家之一的張春芝介紹，“其實是有可能的，在自然界中，許多生物都存在不同倍性的植株，比如馬鈴薯，有二倍體，也有三倍體、四倍體、五倍體，之所以當(dāng)前全球栽培的主要品種，都是四倍體，具體原因已經(jīng)很難考證，科學(xué)家們有許多猜測，比如最初從南美帶出來的，就是四倍體。這些猜測也并非正確答案，但當(dāng)前市場上已經(jīng)育成的栽培體，確實以四倍體為主，在南美，還存在二倍體的農(nóng)家種，但未經(jīng)改良，適應(yīng)性較差，在其他地區(qū)不具備推廣價值。”
 

　　事實上，馬鈴薯的二倍體育種，也存在難題，張春芝介紹，“第一難題是自交不親和，如前所說，要進行雜交，先要有純化后的父母本，但二倍體馬鈴薯的自交不親和，使得它不能產(chǎn)生種子，純化就無從談起。”
 

　　突破這一難題的契機，來自于一種偶然發(fā)現(xiàn)的種質(zhì)資源，張春芝介紹，團隊科學(xué)家們在國際馬鈴薯中心的種質(zhì)庫中，發(fā)現(xiàn)了一個有種子的二倍體，這種天然的種質(zhì)資源，給科學(xué)家們的育種帶來新的契機，“有了可以產(chǎn)生種子的二倍體，純化就有了可能，也就有了之后進行雜交育種的基礎(chǔ)，”張春芝說。
 

　　百年夢想的曙光

　　事實上，育種技術(shù)的進步，使得育種的模式正在變化。張春芝介紹，在獲得天然的自交親和種質(zhì)資源的同時，科學(xué)家們也通過技術(shù)，獲得了人工的自交親和資源。“通過基因測序、對比、鑒定、分析等方式，我們找到了控制自交不親和的基因，然后用基因編輯的方式，敲除了這些基因，從而得到了自交親和的材料”。
 

　　有了可以繁殖的種質(zhì)資源后，二倍體育種開始走向正軌，在越過第一道難關(guān)后，還有許多新的難關(guān)要解決。
 

　　張春芝介紹，就如上世紀(jì)曾經(jīng)推廣過的四倍體馬鈴薯種子一樣，二倍體馬鈴薯的種子種植后，也出現(xiàn)了快速退化和分離的現(xiàn)象。“自交種子衰退是我們遇到的第二個難題。我們發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯自交之后產(chǎn)生的種子，表現(xiàn)非常差，比它的上一代要差很多。其主要原因是有害突變造成的，在生物中，基因突變是很常見的現(xiàn)象，大部分時候，這些突變都不會表現(xiàn)出來，對生物本身的影響不大。但通過自交這種極端的繁殖方式之后，就如近親繁殖一樣，許多有害的突變顯現(xiàn)出來了，后代表現(xiàn)比較差。”

 

　　解決這一問題的方式，仍是基因技術(shù)，張春芝介紹，“我們通過基因組分析，在數(shù)萬個突變中，尋找和識別那些有害的突變，識別出來以后，有兩種方法可以規(guī)避，第一是使用差異性較大、互補性較強的材料進行雜交，盡可能使它的有害突變不會顯現(xiàn)出來，第二是用基因組選擇，淘汰那些大效應(yīng)的有害突變，獲得更好的自交后代。”
 

　　300多株新的材料，第一次在云南德宏州的大田中種植，即“優(yōu)薯1號”，2021年2月收獲，張春芝介紹，“它的干物質(zhì)含量很高，口感軟糯，顏色是深黃色，含有非常高的類胡蘿卜素，品質(zhì)非常好，同時它的產(chǎn)量接近每畝3噸，接近主流種植的四倍體品種，高產(chǎn)的潛力很高。實現(xiàn)馬鈴薯的種子化種植后，種植1畝地只需要2克種子，而通過塊莖種植，1畝地要200公斤，這是天壤之別。”

 

　　“優(yōu)薯1號”是一整套完善育種技術(shù)的成果，黃三文介紹，“我們在過去的研究中，設(shè)計了一套基因組設(shè)計的技術(shù)體系，從解決自交不親和問題，獲得自交系材料，到解決自交衰退問題，再到雜交選育，是一套完整的技術(shù)體系。舉例來說，基因組設(shè)計，相當(dāng)于設(shè)計芯片的一套底層技術(shù)，有了這套技術(shù)，就能夠設(shè)計出更多、更好的芯片。育種也是如此，我們所做的，即是開發(fā)出了這一套設(shè)計體系，同時，這套設(shè)計體系，在國際上是領(lǐng)先的。”“優(yōu)薯1號”的出現(xiàn)，不僅僅是一個普通的育種實驗，團隊首席科學(xué)家黃三文說，“從四倍體育種到二倍體育種，從塊莖繁殖到種子繁殖，是馬鈴薯育種和產(chǎn)業(yè)界一直以來的夢想，如今，這一夢想，終于出現(xiàn)了曙光”。