“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，是我國科學家在1958年育成的，至今也過了60年”，日前，在中國農科院深圳農業基因組研究所舉行的釋出會上，該所研究員張春芝說，“過去，馬鈴薯的遺傳改良一直很慢”。

百年品種-Russet Burbank，1902年選育。中國農科院供圖

近日，《細胞》雜誌線上發表了題為“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設計）”的論文，報道了中國農業科學院深圳農業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，併發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“優薯1號”。

據介紹，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體系。

馬鈴薯種子非常小，只有芝麻的六分之一。中國農科院供圖

全球第三大糧食作物，為何遭遇百年育種難題

2021年2月，雲南德宏州，一塊普通的試驗田中，來自中國農科院的科學家們，收穫了300多株特殊的馬鈴薯。

和普通的馬鈴薯不同，這種被命名為“優薯1號”的馬鈴薯，並非由塊莖種植，而是用種子種出來的，它的肉質金黃，口感軟糯，且產量很高，每畝可以達到3噸。它的出現，是一個標誌性的事件，因為它是馬鈴薯二倍體育種的實驗結果，是百年馬鈴薯育種難題得到突破的象徵。

優薯1號在小區實驗中，產量可以達到3噸每畝。中國農科院供圖

馬鈴薯，這種發源自南美的作物，在16世紀，由西班牙殖民者將它帶到歐洲，此後的數百年中，這種營養豐富全面，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，當前種植面積超過7000萬畝，產量達到1億噸。

馬鈴薯是全球重要的糧食作物之一。中國農科院供圖

在農業科技高速發展的今天，糧食作物育種技術突飛猛進，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，當前全球主要種植的馬鈴薯品種，都是數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，就是透過雜交，使作物獲得新的基因，並穩定遺傳下去，比如高產的基因、抗逆的基因等。很顯然，基因組倍數越高，雜交育種就越難”。

塊莖繁殖，馬鈴薯的種子出了什麼問題

馬鈴薯是茄科植物，和其他茄科植物一樣，它也會開花結果，結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。

但在農業生產中，並不用種子來種植，而是用馬鈴薯的塊莖進行無性繁殖。科學家介紹，“馬鈴薯在生長中容易積累病毒，而透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，且會造成品種的快速退化。所以，在農業生產中，科學家們發明了脫毒技術，人們種植脫毒後的種薯，來保障生產。”

不論是塊莖繁殖，還是脫毒技術，都會造成馬鈴薯生產成本的提高，張春芝介紹，“1顆馬鈴薯切塊種植後，一般只能產出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”。

那麼，為什麼不用種子來生產呢？張春芝介紹，“傳統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，穩定性很低，品質不能保證，大部分都比親本的薯塊差。上世紀八九十年代，科學家們曾經推廣過四倍體種子種植，但最終因為這一原因而終止”。

科學家們也曾嘗試突破四倍體育種，來育成性狀更穩定的新品種，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勢，但想要獲得這一優勢，雜交的父本和母本卻不能雜，反而要非常純，在常規育種中，科學家們會先透過選育，純化父母本，然後用純化後的父母本雜交，獲得表現整齊一致的雜交種。馬鈴薯育種也是如此，問題就在於，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家”。

二倍體種質資源，找到另外一條路

2015年，在農業農村部、中國農科院和深圳市的支援下，基因組所聯合雲南師範大學等單位發起了“優薯計劃”，即運用“基因組設計”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行者。

在四倍體育種困難重重的環境下，科學家們開始轉而尋找新的路徑，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，之所以當前全球栽培的主要品種，都是四倍體，具體原因已經很難考證，科學家們有許多猜測，比如最初從南美帶出來的，就是四倍體。這些猜測也並非正確答案，但當前市場上已經育成的栽培體，確實以四倍體為主，在南美，還存在二倍體的農家種，但未經改良，適應性較差，在其他地區不具備推廣價值。”

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，先要有純化後的父母本，但二倍體馬鈴薯的自交不親和，使得它不能產生種子，純化就無從談起。”

突破這一難題的契機，來自於一種偶然發現的種質資源，張春芝介紹，團隊科學家們在國際馬鈴薯中心的種質庫中，發現了一個有種子的二倍體，這種天然的種質資源，給科學家們的育種帶來新的契機，“有了可以產生種子的二倍體，純化就有了可能，也就有了之後進行雜交育種的基礎，”張春芝說。

百年夢想的曙光

事實上，育種技術的進步，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資源的同時，科學家們也透過技術，獲得了人工的自交親和資源。“透過基因測序、對比、鑑定、分析等方式，我們找到了控制自交不親和的基因，然後用基因編輯的方式，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資源後，二倍體育種開始走向正軌，在越過第一道難關後，還有許多新的難關要解決。

張春芝介紹，就如上世紀曾經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後，也出現了快速退化和分離的現象。“自交種子衰退是我們遇到的第二個難題。我們發現，馬鈴薯自交之後產生的種子，表現非常差，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象，大部分時候，這些突變都不會表現出來，對生物本身的影響不大。但透過自交這種極端的繁殖方式之後，就如近親繁殖一樣，許多有害的突變顯現出來了，後代表現比較差。”

自交衰退是二倍體馬鈴薯雜交育種中的難題之一。中國農科院供圖

解決這一問題的方式，仍是基因技術，張春芝介紹，“我們透過基因組分析，在數萬個突變中，尋找和識別那些有害的突變，識別出來以後，有兩種方法可以規避，第一是使用差異性較大、互補性較強的材料進行雜交，儘可能使它的有害突變不會顯現出來，第二是用基因組選擇，淘汰那些大效應的有害突變，獲得更好的自交後代。”

300多株新的材料，第一次在雲南德宏州的大田中種植，即“優薯1號”，2021年2月收穫，張春芝介紹，“它的幹物質含量很高，口感軟糯，顏色是深黃色，含有非常高的類胡蘿蔔素，品質非常好，同時它的產量接近每畝3噸，接近主流種植的四倍體品種，高產的潛力很高。實現馬鈴薯的種子化種植後，種植1畝地只需要2克種子，而透過塊莖種植，1畝地要200公斤，這是天壤之別。”

優薯1號含有極高的類胡蘿蔔素，蒸煮後金黃色的肉質口感極佳。中國農科院供圖

“優薯1號”是一整套完善育種技術的成果，黃三文介紹，“我們在過去的研究中，設計了一套基因組設計的技術體系，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，是一套完整的技術體系。舉例來說，基因組設計，相當於設計晶片的一套底層技術，有了這套技術，就能夠設計出更多、更好的晶片。育種也是如此，我們所做的，即是開發出了這一套設計體系，同時，這套設計體系，在國際上是領先的。”“優薯1號”的出現，不僅僅是一個普通的育種實驗，團隊首席科學家黃三文說，“從四倍體育種到二倍體育種，從塊莖繁殖到種子繁殖，是馬鈴薯育種和產業界一直以來的夢想，如今，這一夢想，終於出現了曙光”。

新京報記者周懷宗

編輯唐崢校對李銘