通过基因组设计的杂交马铃薯来了！深圳科学家科研成果登上《细胞》杂志

“种子”替代“薯块”培育马铃薯将不再是梦！深圳科学家最新科研成果实现了500克的种子，完成过去500公斤薯块才能达到的种植量。6月24日，《细胞（Cell）》杂志在线发表了题为“Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）”的论文，报道了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下称“基因组所”）黄三文团队用马铃薯二倍体替代四倍体育种，用杂交种子替代薯块繁殖，并发布了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。

农科院基因组所供图

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物，全球有13亿人口以马铃薯为主食。与谷物类粮食作物不同，栽培马铃薯是依靠薯块进行无性繁殖的同源四倍体物种。由于四倍体遗传的复杂性，马铃薯的遗传改良进程缓慢，一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植。

例如，美国的薯条加工型品种Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美国的第一大品种。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的，至今已经种植了60多年。马铃薯产业面临的一大挑战是薯块的繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害。

为了彻底解决马铃薯产业面临的问题，在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下，基因组所黄三文研究员联合云南师范大学等国内外优势单位发起了“优薯计划”，即运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。这是马铃薯育种和繁殖的新底层技术，是对马铃薯产业的颠覆性创新。

农科院基因组所供图

如何实现二倍体替代四倍体育种？关键在破解自交不亲和与自交衰退。黄三文团队通过基因组编辑技术，敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因，筛选到了S-RNase的天然突变体，并克隆来自野生种的自交亲和基因，彻底解决了“自交不亲”的问题。在攻克“自交衰退”这一难点时，黄三文团队发现，导致自交衰退的有害突变，镶嵌分布在马铃薯的两套基因组中，无法通过重组将它们彻底淘汰。但不同马铃薯中的有害突变具有个体差异性，可通过对遗传背景差异大的自交系，进行杂交来掩盖杂交种中有害突变的效应。由此，黄三文团队借助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流程。逐个攻破自交系起始材料的选择、起始材料自交群体的遗传解析、自交系的选育以及杂交种的选育等问题后培育出第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文表示，跟荷兰、美国的科学家相比，深圳科学家最大的创新在于在基因组设计的工具的掌握上和开发和利用上，“我们拥有的全基因组设计育种这套工具，能够把自交系的纯度提高到接近100%，目前欧洲的程度只能达到80%左右。”

“优薯计划”也是著名农学家、“杂交水稻之父”袁隆平院士关心的一项科研项目。2020年11月，黄三文团队带着第一代基因组设计育种获得二倍体马铃薯杂交种子，专程拜访了袁隆平院士，向他详细介绍了“优薯计划”研究取得的突破性进展。袁隆平认为，用杂交种子替代薯块繁殖，可有效解决马铃薯重大产业难题。

农科院基因组所供图

据试验显示，杂交马铃薯品系“优薯1号”，产量接近每亩3吨，淀粉和蛋白质含量相对较高，有丰富的干物质和类胡萝卜素，颜色深黄，口感软糯。全面推广后用杂交马铃薯种子进行饲用马铃薯种植，可替代一部分玉米和大豆，有效调节国家粮食供给需求，特别是填补了饲料用粮的缺口。目前，科研人员已经开始进行小规模实验，希望能够解决大规模用种子播种所涉及到一些诸如说种子育苗、移栽等问题，把产业化所需要的一些技术提前进行储备，计划5年之内储备完之后，就开始大规模产业化的进程。

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“自交不亲和”：指植物自花授粉后不会产生种子的现象。要培育自交系，首先需要解决自交不亲和的问题。在前期研究中，黄三文团队通过基因组编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因（Ye et al., Nature Plants, 2018），筛选到了S-RNase的天然突变体（Zhang et al., Nature Genetics, 2019），并克隆了来自野生种的自交亲和基因，彻底解决了自交不亲和的问题。

“自交衰退”：指生物在自交之后出现生理机能的衰退，表现为生活力下降、抗性减弱、产量降低等。马铃薯作为异交作物，在长期的无性繁殖过程中，累积了大量的隐性有害突变，一旦自交之后，有害突变的不良效应便会显现出来，导致自交衰退。与自交不亲和由少数几个基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更难克服。荷兰科学家在2011年就公布了杂交马铃薯的进展，但是10年之后依然面临自交系纯度较低的问题，限制了大规模商业化推广，主要就是因为无法克服自交衰退的问题。

杂交马铃薯基因组设计育种流程四个环节：（1）第一步是用于培育自交系的起始材料的选择，选择的标准是起始材料的基因组杂合度较低和有害突变数目较少；（2）第二步是起始材料自交群体的遗传解析，主要是根据全基因组偏分离分析和表型评价，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；（3）第三步是自交系的选育，根据前景和背景选择淘汰大效应的有害突变，并聚合优良等位基因，尤其是要打破大效应有害突变和优良等位基因之间的连锁；（4）最后一步是杂交种的选育，根据基因组测序的结果，选择基因组互补性比较高的自交系进行杂交，获得杂种优势显著的杂交种。

（原标题《通过基因组设计的杂交马铃薯来了！深圳科学家科研成果登上《细胞》杂志》）