土豆能用种子种？第一代基因组设计杂交马铃薯

科技日报记者曲健

土豆，俗称“马铃薯”，是世界上最重要的块茎粮食作物。世界上有 13 亿人以马铃薯为主食。但千百年来，其生产一直依靠马铃薯片进行无性繁殖，导致繁殖系数低、储运成本高、害虫易携带……深圳农业研究所黄三文团队最新研究成果基因组学，中国农科院一举颠覆了这一点。一种现象是应用“基因组设计”理论和方法体系培育杂交马铃薯，用双运动种子代替四重运动种子，用杂交种子繁殖代替马铃薯块状繁殖。

这项马铃薯育种繁殖新底层技术于北京时间6月24日23:00在线发表在国际顶级学术期刊《细胞》上。这是“优质马铃薯工程”实施以来的一个里程碑式的突破。

据论文《杂交马铃薯基因组设计》第一作者、中国农业科学院深圳基因组研究所研究员张春智介绍，与谷类作物不同，普通栽培马铃薯具有四倍的同源性基于马铃薯块的无性繁殖。但由于四倍体遗传学的复杂性，马铃薯的遗传改良进程缓慢，一些已有一百多年历史的马铃薯品种仍在广泛种植。例如，美国的炸薯条加工品种 Russet Burbank 于 1902 年培育，至今仍是美国最大的品种。我国栽培面积最大的品种“可欣1号”选育于1958年，至今已有60多年的种植历史。

目前，二倍体种已成为全球马铃薯研究领域的热点。来自荷兰、中国和美国的科学家呼吁开展二倍体的研究和育种。然而，要实现二倍体杂交马铃薯的育种，需要克服两个关键障碍：自交不亲和和自交不亲和。

张春芝解释说，自交不亲和是指植物自花授粉后不产生种子的现象。培育自交系，首先要解决自交不亲和的问题。在此前的研究中，黄三文团队利用基因组编辑技术敲除控制马铃薯自交不亲和性的S-RNase基因，筛选出S-RNase的天然突变体，并从野生物种中克隆出自交亲和基因。彻底解决自不兼容问题。

“自交衰退是指自交后生物功能下降，表现为活力下降、抵抗力减弱、产量下降。”张春芝说，马铃薯作为异交作物，在长期的无性繁殖过程中积累了大量的隐性有害突变。一旦自交，就会出现有害突变的有害影响，导致自交率下降。与自交不亲和由少数基因控制不同，自交不亲和涉及多个基因，更难克服。荷兰科学家在 2011 年宣布了杂交马铃薯的进展，但 10 年后他们仍然面临自交系纯度低的问题，这限制了大规模的商业推广，“主要是因为他们无法克服自交下降的问题。”

黄三文团队对马铃薯早期自退化的遗传基础进行了系统分析。研究发现，导致自交下降的有害突变是分布在两组马铃薯基因组中的嵌合体，通过重组并不能完全消除。但是，不同马铃薯中的有害突变存在个体差异，杂种中有害突变的影响可以通过与大遗传背景的自交系杂交来掩盖。这些研究表明，基于表型选择的育种策略难以克服自退化问题，必须借助基因组大数据进行设计育种，才能有效消除有害突变。

在此基础上，黄三文团队依托自身在基因组学研究方面的优势，利用基因组大数据进行育种决策，建立了杂交马铃薯基因组设计育种“四步走”流程：

第一步是选择培育自交系的起始材料。选择标准为起始材料基因组杂合度低，有害突变少；

第二步，起始材料自交种群的遗传分析，主要基于全基因组分离分析和表型评估，确定大效应有害等位基因和优良等位基因在基因组中的分布；< /p>

第三步是选择自交系。根据前景和背景，我们选择剔除效应大的有害突变，聚合优势等位基因，特别是打破效应大的有害突变与优势等位基因之间的联系。 ;

最后一步是杂交种的选择。根据基因组测序结果，选择基因组互补性较高的自交系进行杂交，获得具有显着杂种优势的杂种。

团队通过“四步法”培育出第一代高纯合（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯系“优树1号”。小区试验表明，“优树1号”产量接近3吨/亩，具有显着的产量杂种优势。同时，“油树1号”具有干物质含量高、类胡萝卜素含量高、蒸煮品质好等特点。

“优树一号”的成功育种证明了杂交马铃薯育种的可行性，使马铃薯遗传改良进入快速迭代轨道。 2020年11月8日，已故“杂交水稻之父”袁隆平院士在听取了研究情况介绍后，题词评论道：“马铃薯杂交种子繁殖技术是一项颠覆性创新，将带来绿色土豆革命。”