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，全球有13億人以馬鈴薯為主食。但馬鈴薯的育種進程卻十分緩慢，平時人們在快餐店吃的薯條，全都來自120年前育成的一個馬鈴薯品種。為此，中國科學(xué)家提出了“優(yōu)薯計劃”，目的就是為了讓中國乃至全世界的人們吃上更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯。

 

　　如今，優(yōu)薯計劃實現(xiàn)新突破，迎來了育種新利器。5月4日，國際權(quán)威期刊《細(xì)胞（Cell）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果：利用進化基因組學(xué)鑒定有害突變進而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種。該研究發(fā)明了一種新的“進化透鏡”技術(shù)，給育種家一雙“火眼金睛”，能夠及早發(fā)現(xiàn)阻礙馬鈴薯育種的基因組有害突變，避免育種“走錯路”，讓大家能夠更快吃上更優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)土豆，這使我國在馬鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位，進入了基因組設(shè)計育種新時代。

 

　　馬鈴薯育種是世界性難題，這是因為馬鈴薯是四倍體作物，也就是說“四套基因組”，遺傳分析很復(fù)雜。再加上，馬鈴薯屬于薯塊繁殖，繁殖系數(shù)僅1∶10，相當(dāng)于收獲10個土豆，人們需要留下一個作為“種子”，極大地增加了種植成本，并且薯塊運輸成本高、易感染病蟲害。“優(yōu)薯計劃”就是要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(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。

 

　　育種實際中發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯基因組中大量雜合有害突變，為實現(xiàn)品種快速改良必須高效剔除有害突變，急需一種準(zhǔn)確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術(shù)。我國科學(xué)家團隊突破常規(guī)思維，將馬鈴薯育種放置在“進化論”這樣廣闊的視野中去研究，進而發(fā)明了“進化透鏡”技術(shù)。黃三文團隊收集了100份茄科和旋花科的材料（92個物種），通過基因組的比較分析，追蹤最長8000萬年、累計12億年的進化痕跡，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出“進化透鏡”，用來發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進化約束及有害突變的點位，繪制了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜。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(yù)測馬鈴薯產(chǎn)量等表型。

 

　　根據(jù)“進化透鏡”解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)育種過程中，使用生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系的起始材料的做法可能會南轅北轍，可能會導(dǎo)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(gòu)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。這個結(jié)果不僅顛覆了以往的認(rèn)知，而且還能夠提早2-3年預(yù)測馬鈴薯的自交系育種的結(jié)果，從而快速創(chuàng)建更多優(yōu)良馬鈴薯自交系。

 

　　不僅如此，研究人員利用該圖譜還開發(fā)了一個新的預(yù)測模型，科學(xué)家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，只需要幼苗期的DNA，就可以提前預(yù)測馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀。

 

　　“相比缺少有害突變信息模型，預(yù)測準(zhǔn)確度提高了45%；相比隨機有害突變信息模型，預(yù)測準(zhǔn)確度提高了25%。”黃三文表示，這將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。

 

　　中國科學(xué)院院士、崖州灣實驗室主任李家洋表示，利用這一研究成果，可以避免選錯材料，將會指導(dǎo)快速培育自交系，不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用。

 

　　“農(nóng)業(yè)育種離不開大數(shù)據(jù)，離不開遺傳學(xué)、基因組學(xué)的布局。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌認(rèn)為，這一成果創(chuàng)新性地應(yīng)用了整個茄科的比較基因組學(xué)與進化生物學(xué)來指導(dǎo)馬鈴薯育種，思路新穎，引領(lǐng)了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對我國種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

 

　　“該研究預(yù)示著作物育種進入一個新的時代，即育種家們不能僅僅關(guān)注自己的‘一畝三分地’，更需要從一個更大的進化維度思考育種的新策略。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康說。