何麗萍，《新聞》首席記者
馬鈴薯是世界上最重要的塊莖糧食作物，全世界有13億人食用馬鈴薯作為世界第三大主食和中國第四大主食。近年來，中國科學家一直在為他們制定一個"好馬鈴薯項目"。
中原標準時間6月24日晚，國内領先的學術期刊cell線上發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文的一項題為"雜交馬鈴薯的基因組設計"的研究。本文報道了研究團隊在雜交馬鈴薯育種領域的研究，這是自"優良馬鈴薯計劃"實施以來的裡程碑式突破。
該論文的第一作者、基因組學研究所研究員張春芝告訴包括 www.thepaper.cn 在内的媒體，該團隊已經開發出了第一代高純度（>99%）二倍體馬鈴薯自雜交和雜交馬鈴薯品系"優良馬鈴薯1"。區間試驗表明，"優良馬鈴薯1号"産量接近3噸/畝，具有顯著的雜交産量優勢。同時，"優馬鈴薯1"具有幹物質含量高、類胡蘿蔔素含量高等特點，烹饪品質好。
值得注意的是，對于99%的純度組合，黃三文認為這并不容易，這是在技術進步中實作的。"對于種子育種水稻、玉米、小麥來說，100%純度不是問題，但對馬鈴薯來說卻很難。幾千年前，在南美洲的安第斯山脈，馬鈴薯被農民馴化，并一直與薯片一起繁殖，"長期營養繁殖使馬鈴薯基因組高度複雜，将這種高度雜交的營養育種變成種子育種是一項重大的科學挑戰。"
"優良馬鈴薯1号"育種的成功證明了黃鲑魚隊雜交馬鈴薯育種系統的可行性，"可以讓馬鈴薯育種進入快速疊代過程"。"張春芝說。
值得一提的是，在雜交育種領域，玉米和水稻是馬鈴薯的"前世代"。就在去年11月8日，"優洋芋項目"團隊就由袁隆平指導。袁隆平院士對當時的馬鈴薯雜交種種育種技術給予了較高的評價，認為用雜交種替代馬鈴薯塊育種可以有效解決馬鈴薯産業的重大問題。袁隆平院士還專門為"優良馬鈴薯工程"題詞："馬鈴薯雜交種種育種技術是一項颠覆性創新，将帶來馬鈴薯的綠色革命。
在感謝中，該報還特别贊揚了袁隆平院士對"優良馬鈴薯工程"的指導和鼓勵。
馬鈴薯産業需要一場"綠色革命"
肯德基是一家跨國連鎖餐廳，成立于1952年，銷售大量來自美國炸薯條加工品種The UsainUrusset Burbank的炸薯條，但Russet Burbank實際上比肯德基早了半個世紀，仍然是美國最大的馬鈴薯品種。
我國也有類似的情況，目前我國種植面積最大的品種"科鑫1号"于1958年育種，至今已種植60多年。
一個品種可以使用一百多年，不是因為它是完美的。"因為繁殖困難，育種者已經這麼多年沒能挑出一個品種來代替它了，是以這就是育種的難點。"張春芝說。
與谷類作物不同，馬鈴薯種植是一種同源四足動物，依靠薯片進行無性繁殖。其基因組高度複雜，遺傳分析複雜，導緻馬鈴薯遺傳改良過程緩慢，育種周期為10-15年。
這是馬鈴薯産業的第一個結構性障礙，二是薯片的繁殖系數低，儲存運輸成本高，病蟲害易攜帶。"當我們種植一個馬鈴薯時，我們在收獲時會得到10個，其中大約1/10不能用作食物或蔬菜，我們必須留下來，然後将其用作種薯。
張春芝進一步提到，馬鈴薯種薯每畝土地需要200公斤，"一是價格昂貴，二是種薯不是到處都能生産，如果我們想在廣東種植馬鈴薯，我們需要從北方轉移種薯，這種儲存和運輸成本非常高;她給出的數字是，所有收獲的馬鈴薯中約有13%直接損失，"這是一個巨大的浪費。"
為了徹底解決馬鈴薯産業面臨的上述問題，在農業農村部、中國農業科學院和深圳的支援下，黃三文會同雲南師範大學等國内外優勢機關共同推出了"優良馬鈴薯計劃"。即利用"基因組設計"理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用雙運動種代替四個運動種，用雜交種種代替馬鈴薯塊。
該團隊的結論是，這是馬鈴薯育種和繁殖的一項新的基礎技術，也是馬鈴薯産業的一項颠覆性創新。
張春芝在現場展示了"優良馬鈴薯1"種子，它隻有芝麻重量的1/6，如果種一畝土地，原來使用的種薯需要200公斤，現在隻用了兩克種子。"這使得運輸非常友善，一個快遞員解決，而且種子很幹淨，基本上不會傳播病蟲害。如果能夠将馬鈴薯産業從目前的四足馬鈴薯塊系統轉變為二倍體種子模式，那将是該行業的颠覆性創新，并将徹底解決我們行業今天面臨的問題。張春芝強調。
該團隊還指出，在二倍體種子模型中，我們可以利用南方冬季田地種植馬鈴薯，"有效緩解了國家糧食安全的壓力，特别是填補了飼料糧食的空白。"
據介紹，"優良馬鈴薯計劃"已經制定了三個"五年計劃"。"十三五"期間，解決了雙倍體馬鈴薯自雜交系統建設中涉及的科技問題，培育了第一個概念品種"優良馬鈴薯1号"，在"十四五"期間，解決了馬鈴薯産業涉及的關鍵問題，選擇了優良雜交組合，開始了小規模推廣， 在"十五五"期間，為滿足市場需求培育了一系列二倍體馬鈴薯雜交新品種，并開始大規模示範推廣。
克服兩大障礙，成功入選"優洋芋1"
事實上，在全球範圍内，馬鈴薯是其兩倍的運動物種已成為熱門研究課題。近年來，來自荷蘭、中國和美國的科學家也呼籲對馬鈴薯二倍體進行研究和育種。
然而，要實作二倍體雜交馬鈴薯育種，需要克服兩個關鍵障礙：自近親繁殖和自交減少。
自親和是指植物授粉後不産生種子的現象。為了培養自我關系，首先要解決自我關系的問題。在Huang團隊的早期研究中，他們利用基因組編輯技術敲除控制馬鈴薯自親和力的S-RNase基因，篩選出S-RNase的天然突變體，克隆野生物種的自親和基因，徹底解決了自親和力問題。
自我下降是指生物體在自我後生理功能的下降，表現為生命力的下降、抵抗力的下降、産量的下降等。研究小組指出，馬鈴薯作為異質作物，在長期無性繁殖過程中積累了大量的隐性有害突變，一旦它們自我，有害突變的不良反應就會出現，導緻自我交的下降。
與由少數基因控制的自我承認的非親和力不同，自我衰退涉及許多基因，并且更難克服。在同一領域的研究方面，荷蘭科學家在2011年宣布了雜交馬鈴薯的進展，但10年後他們仍然面臨着自我交純度低的問題，限制了大規模商業化，主要是因為無法克服自我交的下降。
針對這一難題，黃三文團隊系統分析了馬鈴薯前期自身下降的遺傳基礎。他們發現，導緻自我下降的有害突變嵌入兩組馬鈴薯基因組中，不能通過重組完全消除。"對我們的影響之一是，育種者無法消除每一個突變，我們必須能夠容忍一定程度的有害突變。"張春芝說。
然而，研究小組還發現，不同馬鈴薯中的有害突變是個體不同的，并且可以通過雜交具有較大遺傳背景差異的自雜交系統來掩蓋雜交種中有害突變的影響。"對我們來說，一個教訓是，我們可以選擇混合兩種更互補的材料。
這些研究還表明，基于現象選擇的育種政策很難克服自交下降的問題，設計育種必須在基因組大資料的幫助下進行，才能有效消除有害突變。
馬鈴薯雜交育種基因組設計示意圖。
在此基礎上，黃三文團隊憑借基因組學研究的優勢，利用基因組學大資料做出育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種過程，主要包括四個環節。
第一步是選擇用于培養自交系統的起始材料，其标準是起始材料的低基因組異質性和有害突變的數量低;特别是，要打破大效應有害突變與優異等位基因之間的鍊條，最後一步是雜交種的育種，根據基因組測序的結果，選擇基因組互補性相對較高的自雜交系統進行雜交，得到具有顯著雜交優勢的雜交種。
利用上述工藝，黃三文團隊研制出第一代高純度（>99%）二倍體馬鈴薯自雜交雜交馬鈴薯品系"優良馬鈴薯1号"。張春芝介紹，今年的社群試驗表明，"優馬鈴薯1号"産量已經接近3噸/畝，"這已經與主流的四聯産相似，說明我們這種雜交種具有顯著的産量潛力。"同時，'禹馬鈴薯1号'具有幹物質含量高、類胡蘿蔔素含量高的特點，烹饪品質好。
混合動力車具有很強的混合動力優勢。
黃還強調，"優洋芋1"未來将繼續疊代。"我們還需要改善其許多特征，包括抗病性，包括對光周期的适應。我們目前隻能在南方種植，我們能否培育出可以在北方種植的品種？"他認為，所有這些進一步的改進都需要基因組設計來加速這一過程。
還好，如果用四項運動，周期大約是10-15年，但用種子育種，周期是3-5年，隻有原來的1/3。"育種周期越短，疊代性就越強，育種可以疊代，這意味着每輪育種都比以前更好，不像四重育種，這是非常随機的。"黃說。
相關： https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006
負責編輯：李躍群
校對：夢想