第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世

馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口以馬鈴薯為主食，是全球第三大主糧，也是中國的第四大主糧。但是千百年來，它的生產(chǎn)都依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖，導(dǎo)致繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害。近年來，我國科學(xué)家們正在開展一項(xiàng)“優(yōu)薯計劃”來改變這一狀況。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（簡稱基因組所）黃三文團(tuán)隊最新研究成果實(shí)現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新，第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世，用二倍體育種替代四倍體育種，用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。2021年6月24日，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了題為“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計）”的研究成果，標(biāo)志著“優(yōu)薯計劃”實(shí)施以來取得了里程碑式突破。

與其他糧食作物不同，馬鈴薯是進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種。馬鈴薯遺傳的復(fù)雜性，導(dǎo)致育種過程非常緩慢，全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。比如，美國的薯?xiàng)l加工型品種Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美國的第一大品種。中國栽培面積最大的品種克新1號是1958年育成的，至今已經(jīng)種植了60多年。此外，馬鈴薯不靠種子繁殖，而是靠薯塊進(jìn)行無性繁殖，也導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)面臨著更多難題。為了徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院和深圳市的支持下，基因組所黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，即運(yùn)用“基因組設(shè)計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。

二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯界的研究熱點(diǎn)，各國科學(xué)家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作。基因組所所長黃三文研究員告訴記者，要實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。黃三文說：“馬鈴薯自交不親和，也就是馬鈴薯自花授粉后不會產(chǎn)生種子的問題。我們通過材料篩選和基因編輯，徹底解決了馬鈴薯靠種子自身繁育的問題。同時我們又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致植株長勢弱、產(chǎn)量降低等表現(xiàn)的有害突變位點(diǎn)。通過‘基因組設(shè)計’，淘汰有害突變、聚合優(yōu)良基因，最終解決了自交衰退的問題，選育出具有顯著雜種優(yōu)勢的優(yōu)薯1號品系。”

利用上述流程，該團(tuán)隊已經(jīng)培育出了第一代高純合度（＞99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系優(yōu)薯1號。小區(qū)試驗(yàn)顯示優(yōu)薯1號每667 m2的產(chǎn)量接近3 t，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。以前種植馬鈴薯每667 m2需要200 kg種薯，而現(xiàn)在用種子只需要2 g，種植成本大大降低。同時，優(yōu)薯1號具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。

優(yōu)薯1號選育的成功，證明了雜交馬鈴薯育種的體系是可行的，預(yù)示著馬鈴薯育種即將進(jìn)入一個快速迭代的過程。據(jù)介紹，目前優(yōu)薯1號的抗病性還較差，但利用雜交育種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)品種的快速迭代，在較短時間內(nèi)提高優(yōu)薯1號的抗病性。下一步，科研團(tuán)隊還將加強(qiáng)大規(guī)模雜交制種、種子育苗移栽等技術(shù)研發(fā)，為馬鈴薯種子的產(chǎn)業(yè)化推廣做準(zhǔn)備。