"我们吃的大多数薯条都来自一种名为Russet Burbank的马铃薯品种，该品种于1902年培育，已经存在了一个多世纪。与此同时，在中国，最大的栽培马铃薯品种称为可新1，由中国科学家于1958年培育，已经过了60年，"中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员张春芝说。
百年品种 - Russet Burbank，1902年被选中。图片来源：中国农业科学院
近日，《细胞》杂志在网上发表了一篇题为《马铃薯杂交种基因组设计（杂交马铃薯基因组设计）》的在线论文报道，中国农业科学院深圳农业基因组学研究所黄三文团队用马铃薯二倍体代替四种运动品种，杂交种子代替薯片育种，并发布了第一代高纯度双纯马铃薯自杂交和杂交马铃薯品系"优良马铃薯1号"。
据介绍，本研究成果，突破了百年马铃薯育种难题，为马铃薯杂交育种提供了新的技术体系。
马铃薯种子非常小，只有芝麻的六分之一。图片来源：中国农业科学院
为什么世界第三大粮食作物正在经历一个长达百年的育种问题
2021年2月，中国农业科学院的科学家在云南省德洪州的一个普通试验场收获了300多个特殊马铃薯。
与普通马铃薯不同，这种马铃薯名为"优良马铃薯1"，不是从块茎中生长出来的，而是用种子播种的，其肉质金黄，味道柔软，产量高，每亩可达到3吨。它的出现是一个标志性的事件，因为它是马铃薯两倍的运动物种实验的结果，并且是百年历史的马铃薯育种难题突破的象征。
在群落实验中，优良马铃薯1的产量可以达到每亩3吨。图片来源：中国农业科学院
马铃薯是一种起源于南美洲的作物，于16世纪由西班牙殖民者带到欧洲，在随后的几个世纪中，它迅速传播到世界，成为世界第三大粮食作物，全球13亿人是其主要食物。在中国，马铃薯是除小麦、水稻、玉米以外的第四大粮食作物，目前种植面积7000多万亩，产量1亿吨。
马铃薯是世界上最重要的粮食作物之一。图片来源：中国农业科学院
在农业科技飞速发展的今天，粮食作物育种技术发展迅速，品种更新迅速，小麦、水稻、玉米、大豆等。但例外是土豆，目前几十年甚至几百年前就已经种下了马铃薯。
"并不是这些老品种足够好，而是马铃薯育种本身的难度使科学家难以培育出新的、更好的品种。"张春芝说。
马铃薯繁育难，难于其特殊的基因组，"目前主要粮食作物的繁育，都是两倍的运动种，而马铃薯是四倍体，"张春芝介绍，"所谓二倍体，是一种生物，有两套基因组，四种自然是四套。一般来说，杂交育种是通过杂交，使作物获得新的基因，并稳定遗传，如高产基因、抗逆转基因等。显然，基因组倍数越高，杂交就越难。
块茎繁殖，马铃薯种子有问题
马铃薯是茄子植物，像其他茄子植物一样，它们也会开花，产生形状像圆形茄子但形状较小的果实，成熟的水果含有可以播种和繁殖的种子。
然而，在农业生产中，种子不是用来生长的，而是用来与马铃薯块茎无性繁殖的。"马铃薯倾向于在其生长过程中积累病毒，通过块茎进行无性繁殖的做法使其难以去除其积累的病毒，这些病毒不会影响人，但会影响新植物的生长，使它们容易受到疾病的影响，从而降低产量并导致品种的快速退化，"科学家说。所以，在农业生产中，科学家发明了排毒技术，人们种植解毒种薯来保证产量。"
无论是块茎繁殖，还是解毒技术，都会导致马铃薯生产成本增加，张春芝介绍，"1马桶切开后，一般只能生产10倍左右的块茎。种植1亩马铃薯，一般需要200公斤马铃薯，成本非常高，而种薯的栽培、储存、运输、损失等，都比一般的粮食种子要高。
那么为什么不生产种子呢？张春芝介绍，"传统的四胞胎马铃薯种子，也可以种植，但马铃薯，性格差异很大，稳定性很低，质量无法保证，大部分都比原来薯片差。在1980年代和1990年代，科学家提倡四重种子种植，但因这个原因而结束。
科学家还试图突破四大运动品种，培育出性状更稳定的新品种，但相对于两倍的运动种，四倍的运动种难度却在几何上有所提升，张春芝介绍，"杂交育种，育种品种具有杂交优势，但要获得这种优势，亲亲母不能混交， 但非常纯净，在常规育种中，科学家会先通过育种、纯化亲本，再配合亲本的纯化这种杂交种，得到性能整齐一致的杂交种。马铃薯育种也是如此，问题在于四足马铃薯很难纯化。第一步是阻止很多科学家。
二倍体种子资源，寻找另一种方式
2015年，在农业农村部、中国农业科学院和深圳的支持下，基因组学研究所联合云南师范大学启动了"优良马铃薯项目"，利用"基因组设计"的理论和方法，培育杂交马铃薯。黄鲑鱼团队是这一计划的实施者。
在四项运动举步维艰的环境中，科学家们正在转向新的途径，其中一条是两倍。
"土豆能像其他粮食作物一样翻倍吗？"该团队的科学家之一张春芝说，"其实有可能，在自然界中，很多生物都有不同时期的植物，比如土豆，有二倍体，也有三倍体、四倍体、五倍体，全球栽培的主要品种都是四倍的，具体原因一直难以验证，科学家有很多猜测，比如原来从南美带出来的， 是四次。这些猜测都不是正确的答案，但目前市场上已经培育出栽培，确实四维主要在南美，有双倍体养殖场品种，但没有改良，适应性较差，在其他地区不具有推广价值。"
其实马铃薯双体运动品种也存在困难，张春芝介绍，"第一个问题是自我亲和力，如前所述，要杂交，首先要有纯化的父母，但双马铃薯的自亲力，使其不能产生种子，纯化是谈不上来的。"
突破这一难题的机会，从偶然发现种子资源，张春芝介绍，团队科学家在国际马铃薯中心的种子库中，发现了一种种子二倍体，这种天然种子资源，给科学家育种带来了新的机遇，"有了生产种子种子的二倍体的可能性，纯化是可能的，以后杂交育种就有了基础，"张春芝说。
百年梦的曙光
事实上，育种技术的进步正在改变育种模式。张春芝介绍，在获取天然的自我亲和力和种子资源的同时，科学家也通过技术，获取了人工的自我亲和力资源。"通过基因测序、比对、鉴定、分析等，我们发现了控制自我亲和力的基因，然后用基因编辑去除了这些基因，从而获得自我亲和力的材料。
有了繁殖资源，双体运动种开始走上正轨，在跨过第一道障碍后，还有很多新的困难需要解决。
张春芝介绍，正如上个世纪曾经普及过的四足马铃薯种子一样，马铃薯种子种植后也出现了快速降解和分离的现象。"自我播种的下降是我们的第二个问题。我们发现，马铃薯自不易变以来产生的种子表现非常差，比上一代差得多。主要原因是有害突变引起的，在生物学中，基因突变是非常普遍的现象，大多数时候，这些突变不会出现，对生物体本身的影响很小。但是，在这种极端的繁殖形式中进行自我杂交后，随着近亲繁殖，出现了许多有害的突变，后代表现不佳。"
自杂交下降是二倍体马铃薯杂交育种的难点之一。图片来源：中国农业科学院
解决这个问题的方法仍然是基因技术，张春芝介绍，"我们通过基因组分析，在数以万计的突变中，去发现和识别那些有害的突变，鉴定出，有两种方法可以避免，一是利用更大的差异，更多的互补材料进行杂交，尽可能地使其有害突变不会出现， 二是利用基因组选择，消除那些有害突变的大效应，获得更好的自我传递。"
300多种新材料，首次在云南德洪州油田，即"优马铃薯1"，收获2021年2月，张春芝介绍，"其干物质含量非常高，口感柔软，色泽深黄色，含有非常高的类胡萝卜素，质量非常好，而其产量接近每亩3吨， 接近主流栽培四倍品种，潜力大。种种马铃薯后，只需2克种子即可种植1英亩的土地，通过块茎种植200公斤1英亩的土地，这是一个天壤之别。"
U马铃薯1含有非常高的类胡萝卜素，煮熟后的金黄色肉味道极佳。图片来源：中国农业科学院
"优马铃薯1号"是一套完美的育种技术成果，黄三文介绍，"我们在过去研究，设计了一套基因组设计技术体系，从解决自我屈服的问题，获得自交材料，解决自交下降的问题，到杂交育种，是一套完整的技术体系。例如，基因组设计相当于一组用于设计芯片的基础技术，通过这些技术可以设计出更多更好的芯片。育种也是如此，我们所做的就是开发这种国际领先的设计系统。"'优马铃薯1号'的出现不仅仅是一个普通的育种实验，"该团队首席科学家黄三文说，"从四项运动到两种运动品种，从块茎到种子育种，是马铃薯育种和工业界一直的梦想，而现在，这个梦想，终于出现了。
新京报记者 周伟宗
编辑：唐伟 校对 李明