近日，由中國農科院深圳農業(yè)基因組所（下稱“基因組所”）與云南師范大學（下稱“云師大”）馬鈴薯科學研究院共同完成的“馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎”在《自然·遺傳》（Nature Genetics）雜志在線發(fā)表，這是“優(yōu)薯計劃”實施以來取得的第二項重大理論突破。
馬鈴薯既是蔬菜也是排在水稻與小麥之后的世界第三大糧食作物，地位“超然”。國際馬鈴薯中心于1971年成立，1998年起中國每年舉行馬鈴薯大會，而2016年云師大聯合基因組所、云南英茂集團成立了世界上首家馬鈴薯科學研究院。但馬鈴薯種植一直存在瓶頸，主要依靠薯塊，不易運輸保存、易染病，種植成本高。近年來，全世界科學家在馬鈴薯“種子化”進程上全力“賽跑”，中國科學家相繼解決了馬鈴薯自交不親和與自交衰退兩大關鍵問題，也就是如何培育出馬鈴薯的種子和如何保證用種子種出來的馬鈴薯更大更壯。
一場關于馬鈴薯顛覆性“綠色革命”
科學家在談到馬鈴薯時都提到“四倍體”，簡單地說，體細胞中含有4個染色體組的生物個體就是“四倍體”。由于四倍體基因高度雜合，使得優(yōu)良基因很難聚合在一起，所以育種周期長。另外，薯塊繁殖成本高，1公斤薯塊只能收獲10公斤的馬鈴薯，且易感染病蟲害。
為了破解這些難題，在農業(yè)農村部、深圳市和云南省的支持下，基因組所聯合云師大等國內外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，以基因組學和合成生物學為指導，用二倍體替代同源四倍體，并用種子替代薯塊繁殖。該項目被中國農科院列為“重大產出科研選題”之一。
“優(yōu)薯計劃”牽頭人、基因組所所長黃三文表示，這是一場顛覆馬鈴薯育種和繁殖方式的“綠色革命”。他指出，過去種植一畝馬鈴薯需要200公斤薯塊，現在只需2克種子，生產成本大大降低。而我國馬鈴薯種植面積近億畝，由此產生的經濟價值可想而知。
馬鈴薯其實是番茄的“姐妹”
黃三文表示，玉米雜交育種的成功經驗為二倍體馬鈴薯雜交育種提供了重要借鑒。科研人員們找到了導致二倍體馬鈴薯自交無法產生種子的核糖核酸酶基因S-RNase，并通過基因組編輯方法敲除這個基因，得到了自交親和、可產生種子的二倍體馬鈴薯。這一研究成果于2018年8月發(fā)表在《自然·植物》（Nature Plants）上。
記者在云師大馬鈴薯科學研究院實驗室里看到了二倍體馬鈴薯的花朵和果實。“馬鈴薯的花朵非常鮮艷，而且花期很長，十分適合觀賞。”基因組所張春芝博士捧著自己培育的一盆二倍體馬鈴薯說。記者仔細觀察，馬鈴薯的花很像較為纖細的喇叭花，而它的果實跟綠色的小番茄無異，聞起來還有股特殊的清香。
“這是因為馬鈴薯是茄科植物，它與番茄可稱之為‘姐妹’。”張春芝表示，在幾百萬年的進化過程中，馬鈴薯變成了塊莖類作物，而番茄卻變成了果實類作物，可見自然進化的力量之強。
可通過遺傳重組清除有害突變
馬鈴薯種子是從果實里得出的，收集起一碟放在桌上，有點像一盤孜然。“現在二倍體馬鈴薯的種子非常小，相當于芝麻的十分之一，而且自交后表現出非常嚴重的自交衰退。”黃三文說，這就給科研團隊提出了第二個問題，如何解決“自交衰退”問題。
云師大馬鈴薯研究院副院長尚軼表示，其實自然界中70%的馬鈴薯種質資源為二倍體，科研團隊通過對151份二倍體馬鈴薯進行重測序，鑒定了全基因組范圍內共344831個有害突變。研究發(fā)現，有害突變聚集的“重災區(qū)”在靠近著絲粒區(qū)域。著絲粒可以看作是兩條染色臂之間的連接點，在這里脫氧核糖核酸（DNA）高度重復，重組率非常低，因此很難通過傳統育種方法全部清除這么多的有害突變。
研究進一步分析發(fā)現，任意兩份二倍體材料之間相同的有害突變僅為11%，說明馬鈴薯中的有害突變具有品系特異性，可以通過精心設計的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態(tài)，獲得具有雜種優(yōu)勢的F1雜交種。
“為進一步鑒定這些有害突變的遺傳效應，我們構建了3個二倍體馬鈴薯自交分離群體，并開發(fā)了一套不依賴于親本的基因分型方法。”張春芝表示，研究團隊發(fā)現了馬鈴薯群體中的一個稀有突變。研究最終發(fā)現，這些大效應的有害突變主要位于重組率較高的區(qū)域，可以通過遺傳重組將它們有效清除。
預計首批馬鈴薯種子示范推廣從云南開始
這一研究成果近日發(fā)表在的《自然·遺傳》上，也就是說二倍體馬鈴薯培育的兩大障礙已被基本掃除。
盧肖平表示，2018年7月的中國馬鈴薯大會上，來自國際馬鈴薯中心的首席科學家談到了二倍體馬鈴薯的培育，并預計在5到7年左右取得突破。“當他們了解到中國的科研步伐后，完全沒有想到會這么快。”
據悉，科研團隊下一步將通過淘汰自交衰退基因，獲得優(yōu)良的馬鈴薯自交系，選育優(yōu)良的雜交組合，提高馬鈴薯種子品質，加強種子播種栽培管理，同時選取合適區(qū)域開展馬鈴薯種子的示范推廣。
“云南是馬鈴薯的‘第二故鄉(xiāng)’。”云師大馬鈴薯科學研究院副院長李燦輝表示，云南的氣候環(huán)境與馬鈴薯原產地南美洲安第斯山脈非常相似，而且一年四季可種植馬鈴薯，因此預計首批馬鈴薯種子的示范推廣地區(qū)也將在云南省選擇。
