何丽萍，《新闻》首席记者
马铃薯是世界上最重要的块茎粮食作物，全世界有13亿人食用马铃薯作为世界第三大主食和中国第四大主食。近年来，中国科学家一直在为他们制定一个"好马铃薯项目"。
北京时间6月24日晚，国内领先的学术期刊cell在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文的一项题为"杂交马铃薯的基因组设计"的研究。本文报道了研究团队在杂交马铃薯育种领域的研究，这是自"优良马铃薯计划"实施以来的里程碑式突破。
该论文的第一作者、基因组学研究所研究员张春芝告诉包括 www.thepaper.cn 在内的媒体，该团队已经开发出了第一代高纯度（>99%）二倍体马铃薯自杂交和杂交马铃薯品系"优良马铃薯1"。区间试验表明，"优良马铃薯1号"产量接近3吨/亩，具有显著的杂交产量优势。同时，"优马铃薯1"具有干物质含量高、类胡萝卜素含量高等特点，烹饪质量好。
值得注意的是，对于99%的纯度组合，黄三文认为这并不容易，这是在技术进步中实现的。"对于种子育种水稻、玉米、小麦来说，100%纯度不是问题，但对马铃薯来说却很难。几千年前，在南美洲的安第斯山脉，马铃薯被农民驯化，并一直与薯片一起繁殖，"长期营养繁殖使马铃薯基因组高度复杂，将这种高度杂交的营养育种变成种子育种是一项重大的科学挑战。"
"优良马铃薯1号"育种的成功证明了黄鲑鱼队杂交马铃薯育种系统的可行性，"可以让马铃薯育种进入快速迭代过程"。"张春芝说。
值得一提的是，在杂交育种领域，玉米和水稻是马铃薯的"前世代"。就在去年11月8日，"优土豆项目"团队就由袁隆平指导。袁隆平院士对当时的马铃薯杂交种种育种技术给予了较高的评价，认为用杂交种替代马铃薯块育种可以有效解决马铃薯产业的重大问题。袁隆平院士还专门为"优良马铃薯工程"题词："马铃薯杂交种种育种技术是一项颠覆性创新，将带来马铃薯的绿色革命。
在感谢中，该报还特别赞扬了袁隆平院士对"优良马铃薯工程"的指导和鼓励。
马铃薯产业需要一场"绿色革命"
肯德基是一家跨国连锁餐厅，成立于1952年，销售大量来自美国炸薯条加工品种The UsainUrusset Burbank的炸薯条，但Russet Burbank实际上比肯德基早了半个世纪，仍然是美国最大的马铃薯品种。
我国也有类似的情况，目前我国种植面积最大的品种"科鑫1号"于1958年育种，至今已种植60多年。
一个品种可以使用一百多年，不是因为它是完美的。"因为繁殖困难，育种者已经这么多年没能挑出一个品种来代替它了，所以这就是育种的难点。"张春芝说。
与谷类作物不同，马铃薯种植是一种同源四足动物，依靠薯片进行无性繁殖。其基因组高度复杂，遗传分析复杂，导致马铃薯遗传改良过程缓慢，育种周期为10-15年。
这是马铃薯产业的第一个结构性障碍，二是薯片的繁殖系数低，储存运输成本高，病虫害易携带。"当我们种植一个马铃薯时，我们在收获时会得到10个，其中大约1/10不能用作食物或蔬菜，我们必须留下来，然后将其用作种薯。
张春芝进一步提到，马铃薯种薯每亩土地需要200公斤，"一是价格昂贵，二是种薯不是到处都能生产，如果我们想在广东种植马铃薯，我们需要从北方转移种薯，这种储存和运输成本非常高;她给出的数字是，所有收获的马铃薯中约有13%直接损失，"这是一个巨大的浪费。"
为了彻底解决马铃薯产业面临的上述问题，在农业农村部、中国农业科学院和深圳的支持下，黄三文会同云南师范大学等国内外优势单位共同推出了"优良马铃薯计划"。即利用"基因组设计"理论和方法体系培育杂交马铃薯，用双运动种代替四个运动种，用杂交种种代替马铃薯块。
该团队的结论是，这是马铃薯育种和繁殖的一项新的基础技术，也是马铃薯产业的一项颠覆性创新。
张春芝在现场展示了"优良马铃薯1"种子，它只有芝麻重量的1/6，如果种一亩土地，原来使用的种薯需要200公斤，现在只用了两克种子。"这使得运输非常方便，一个快递员解决，而且种子很干净，基本上不会传播病虫害。如果能够将马铃薯产业从目前的四足马铃薯块系统转变为二倍体种子模式，那将是该行业的颠覆性创新，并将彻底解决我们行业今天面临的问题。张春芝强调。
该团队还指出，在二倍体种子模型中，我们可以利用南方冬季田地种植马铃薯，"有效缓解了国家粮食安全的压力，特别是填补了饲料粮食的空白。"
据介绍，"优良马铃薯计划"已经制定了三个"五年计划"。"十三五"期间，解决了双倍体马铃薯自杂交系统建设中涉及的科技问题，培育了第一个概念品种"优良马铃薯1号"，在"十四五"期间，解决了马铃薯产业涉及的关键问题，选择了优良杂交组合，开始了小规模推广， 在"十五五"期间，为满足市场需求培育了一系列二倍体马铃薯杂交新品种，并开始大规模示范推广。
克服两大障碍，成功入选"优土豆1"
事实上，在全球范围内，马铃薯是其两倍的运动物种已成为热门研究课题。近年来，来自荷兰、中国和美国的科学家也呼吁对马铃薯二倍体进行研究和育种。
然而，要实现二倍体杂交马铃薯育种，需要克服两个关键障碍：自近亲繁殖和自交减少。
自亲和是指植物授粉后不产生种子的现象。为了培养自我关系，首先要解决自我关系的问题。在Huang团队的早期研究中，他们利用基因组编辑技术敲除控制马铃薯自亲和力的S-RNase基因，筛选出S-RNase的天然突变体，克隆野生物种的自亲和基因，彻底解决了自亲和力问题。
自我下降是指生物体在自我后生理功能的下降，表现为生命力的下降、抵抗力的下降、产量的下降等。研究小组指出，马铃薯作为异质作物，在长期无性繁殖过程中积累了大量的隐性有害突变，一旦它们自我，有害突变的不良反应就会出现，导致自我交的下降。
与由少数基因控制的自我承认的非亲和力不同，自我衰退涉及许多基因，并且更难克服。在同一领域的研究方面，荷兰科学家在2011年宣布了杂交马铃薯的进展，但10年后他们仍然面临着自我交纯度低的问题，限制了大规模商业化，主要是因为无法克服自我交的下降。
针对这一难题，黄三文团队系统分析了马铃薯前期自身下降的遗传基础。他们发现，导致自我下降的有害突变嵌入两组马铃薯基因组中，不能通过重组完全消除。"对我们的影响之一是，育种者无法消除每一个突变，我们必须能够容忍一定程度的有害突变。"张春芝说。
然而，研究小组还发现，不同马铃薯中的有害突变是个体不同的，并且可以通过杂交具有较大遗传背景差异的自杂交系统来掩盖杂交种中有害突变的影响。"对我们来说，一个教训是，我们可以选择混合两种更互补的材料。
这些研究还表明，基于现象选择的育种策略很难克服自交下降的问题，设计育种必须在基因组大数据的帮助下进行，才能有效消除有害突变。
马铃薯杂交育种基因组设计示意图。
在此基础上，黄三文团队凭借基因组学研究的优势，利用基因组学大数据做出育种决策，建立了杂交马铃薯基因组设计育种过程，主要包括四个环节。
第一步是选择用于培养自交系统的起始材料，其标准是起始材料的低基因组异质性和有害突变的数量低;特别是，要打破大效应有害突变与优异等位基因之间的链条，最后一步是杂交种的育种，根据基因组测序的结果，选择基因组互补性相对较高的自杂交系统进行杂交，得到具有显著杂交优势的杂交种。
利用上述工艺，黄三文团队研制出第一代高纯度（>99%）二倍体马铃薯自杂交杂交马铃薯品系"优良马铃薯1号"。张春芝介绍，今年的社区试验表明，"优马铃薯1号"产量已经接近3吨/亩，"这已经与主流的四联产相似，说明我们这种杂交种具有显著的产量潜力。"同时，'禹马铃薯1号'具有干物质含量高、类胡萝卜素含量高的特点，烹饪质量好。
混合动力车具有很强的混合动力优势。
黄还强调，"优土豆1"未来将继续迭代。"我们还需要改善其许多特征，包括抗病性，包括对光周期的适应。我们目前只能在南方种植，我们能否培育出可以在北方种植的品种？"他认为，所有这些进一步的改进都需要基因组设计来加速这一过程。
还好，如果用四项运动，周期大约是10-15年，但用种子育种，周期是3-5年，只有原来的1/3。"育种周期越短，迭代性就越强，育种可以迭代，这意味着每轮育种都比以前更好，不像四重育种，这是非常随机的。"黄说。
相关： https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006
负责编辑：李跃群
校对：梦想