馬鈴薯育種實現(xiàn)顛覆性突破——第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世

 

基因組所所長黃三文（左）指導(dǎo)學(xué)生開展基因組設(shè)計有關(guān)實驗。

 

　　馬鈴薯是世界上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，是全球第三大主糧，也是中國的第四大主糧。但是千百年來，它的生產(chǎn)都依靠薯塊進行無性繁殖，導(dǎo)致繁殖系數(shù)低、儲運成本高、易攜帶病蟲害……近年來，我國科學(xué)家正在開展一項“優(yōu)薯計劃”來改變這一狀況。

 

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（簡稱基因組所）黃三文團隊最新研究成果實現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新，第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世，用二倍體育種替代四倍體育種，用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。6月24日，國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》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）”的研究成果。這標志著“優(yōu)薯計劃”實施以來取得了里程碑式的突破。

 

　　與其他糧食作物不同，馬鈴薯是進行無性繁殖的同源四倍體物種。什么是四倍體呢？論文第一作者、基因組所張春芝研究員告訴記者：“通俗地說，就是有四套基因組。我們?nèi)祟愂嵌扼w物種，遺傳比較簡單，而四倍體物種就比較復(fù)雜，無論是做育種還是做研究，挑戰(zhàn)都非常大。”

 

　　馬鈴薯遺傳的復(fù)雜性，導(dǎo)致育種過程非常緩慢，全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。比如，美國的薯條加工型品種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。此外，馬鈴薯不靠種子繁殖，而是靠薯塊進行無性繁殖，也導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)面臨著更多難題。

 

　　為了徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下，基因組所黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(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，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。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。

 

　　二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯界的研究熱點，各國科學(xué)家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作?；蚪M所所長黃三文研究員告訴記者，要實現(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。

 

　　黃三文說：“馬鈴薯自交不親和，也就是馬鈴薯自花授粉后不會產(chǎn)生種子的問題。我們通過材料篩選和基因編輯，徹底解決了馬鈴薯靠種子自身繁育的問題。同時我們又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致植株長勢弱、產(chǎn)量降低等表現(xiàn)的有害突變位點。我們通過‘基因組設(shè)計’，淘汰有害突變、聚合優(yōu)良基因，最終解決了自交衰退的問題，選育出具有顯著雜種優(yōu)勢的‘優(yōu)薯1號’品系。”

 

　　2020年11月，在云南省德宏州盈江縣，“優(yōu)薯1號”進行了小區(qū)試驗。今年2月，馬鈴薯成熟采收后測產(chǎn)，第一代新品種馬鈴薯的種植效果遠超預(yù)期。張春芝表示：“當?shù)刈詈玫鸟R鈴薯品種每畝產(chǎn)量也就3噸左右，10多年來產(chǎn)量沒有明顯提升。而第一代雜交的馬鈴薯畝產(chǎn)就接近了3噸。以前種植一畝馬鈴薯需要200公斤種薯，而現(xiàn)在用種子只需要2克，種植成本大大降低。”除了種植成本降低外，“優(yōu)薯1號”的品質(zhì)也很好，具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點。

 

　　張春芝說：“以前在四倍體水平上進行的馬鈴薯育種，每一次雜交都是對四套基因組的重排，育種結(jié)果不可預(yù)測?，F(xiàn)在利用雜交馬鈴薯育種體系，育種家可以利用現(xiàn)代育種技術(shù)在已有自交系的基礎(chǔ)上進行定向改良，選擇配制最佳的組合。”“優(yōu)薯1號”選育的成功，證明了雜交馬鈴薯育種的體系是可行的，預(yù)示著馬鈴薯育種即將進入一個快速迭代的過程。據(jù)介紹，目前，“優(yōu)薯1號”的抗病性還較差，但利用雜交育種技術(shù)，可以實現(xiàn)品種的快速迭代，在較短時間內(nèi)提高“優(yōu)薯1號”的抗病性。下一步，科研團隊還將加強大規(guī)模雜交制種、種子育苗移栽等技術(shù)研發(fā)，為馬鈴薯種子的產(chǎn)業(yè)化推廣做準備。