“種子”替代“薯塊”培育馬鈴薯將不再是夢！深圳科學家最新科研成果實現了500克的種子，完成過去500公斤薯塊才能達到的種植量。6月24日，《細胞（Cell）》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（以下稱“基因組所”）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（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優薯1號”。

農科院基因組所供圖

馬鈴薯是世界上重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口將它作為主食。上百年來以四倍體薯塊育種和繁殖的方式存在育種速度慢、種植成本高等問題。為徹底解決這些問題，基因組所黃三文研究員聯合雲南師範大學等國內外優勢單位，發起“優薯計劃”，運用“基因組設計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯。

農科院基因組所供圖

如何實現二倍體替代四倍體育種？黃三文團隊透過基因組編輯技術，敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因（Ye et al。， Nature Plants， 2018），篩選到了S-RNase的天然突變體（Zhang et al。， Nature Genetics， 2019），並克隆來自野生種的自交親和基因，徹底解決了“自交不親”的問題。在攻克“自交衰退”這一難點時，黃三文團隊發現，導致自交衰退的有害突變，鑲嵌分佈在馬鈴薯的兩套基因組中，無法透過重組將它們徹底淘汰（Zhou et al。， Nature Genetics， 2020）。但不同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性，可透過對遺傳背景差異大的自交系，進行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應（Zhang et al。， Nature Genetics， 2019）。由此，黃三文團隊藉助在基因組學研究方面的優勢，利用基因組大資料進行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種四流程。逐個攻破自交系起始材料的選擇、起始材料自交群體的遺傳解析、自交系的選育以及雜交種的選育等問題後培育出第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優薯1號”。

農科院基因組所供圖

據試驗顯示，雜交馬鈴薯品系“優薯1號”，產量接近每畝3噸，澱粉和蛋白質含量相對較高，有豐富的幹物質和類胡蘿蔔素，顏色深黃，口感軟糯。全面推廣後用雜交馬鈴薯種子進行飼用馬鈴薯種植，可替代一部分玉米和大豆，有效調節國家糧食供給需求，特別是填補了飼料用糧的缺口。

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“自交不親和”：指植物自花授粉後不會產生種子的現象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和的問題。在前期研究中，黃三文團隊透過基因組編輯技術敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因（Ye et al。， Nature Plants， 2018），篩選到了S-RNase的天然突變體（Zhang et al。， Nature Genetics， 2019），並克隆了來自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和的問題。

“自交衰退”：指生物在自交之後出現生理機能的衰退，表現為生活力下降、抗性減弱、產量降低等。馬鈴薯作為異交作物，在長期的無性繁殖過程中，累積了大量的隱性有害突變，一旦自交之後，有害突變的不良效應便會顯現出來，導致自交衰退。與自交不親和由少數幾個基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更難克服。荷蘭科學家在2011年就公佈了雜交馬鈴薯的進展，但是10年之後依然面臨自交系純度較低的問題，限制了大規模商業化推廣，主要就是因為無法克服自交衰退的問題。

雜交馬鈴薯基因組設計育種流程四個環節：（1）第一步是用於培育自交系的起始材料的選擇，選擇的標準是起始材料的基因組雜合度較低和有害突變數目較少；（2）第二步是起始材料自交群體的遺傳解析，主要是根據全基因組偏分離分析和表型評價，確定大效應有害等位基因和優良等位基因在基因組中的分佈；（3）第三步是自交系的選育，根據前景和背景選擇淘汰大效應的有害突變，並聚合優良等位基因，尤其是要打破大效應有害突變和優良等位基因之間的連鎖；（4）最後一步是雜交種的選育，根據基因組測序的結果，選擇基因組互補性比較高的自交系進行雜交，獲得雜種優勢顯著的雜交種。

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（作者：深圳特區報記者 張連城 程思瑋）

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