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第一代基因組設計的雜交馬鈴薯問世

2021-12-09 02:17:01中國農業科學院深圳農業基因組研究所
中國蔬菜 2021年7期

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,它的生產都依靠薯塊進行無性繁殖,導致繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害。近年來,我國科學家們正在開展一項“優薯計劃”來改變這一狀況。中國農業科學院深圳農業基因組研究所(簡稱基因組所)黃三文團隊最新研究成果實現了顛覆性創新,第一代基因組設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,國際學術期刊《細胞》在線發表了題為“Genome design of hybrid potato(雜交馬鈴薯的基因組設計)”的研究成果,標志著“優薯計劃”實施以來取得了里程碑式突破。

與其他糧食作物不同,馬鈴薯是進行無性繁殖的同源四倍體物種。馬鈴薯遺傳的復雜性,導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,美國的薯條加工型品種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,至今已經種植了60多年。此外,馬鈴薯不靠種子繁殖,而是靠薯塊進行無性繁殖,也導致了產業面臨著更多難題。為了徹底解決馬鈴薯產業面臨的問題,在農業農村部、中國農業科學院和深圳市的支持下,基因組所黃三文研究員聯合云南師范大學等國內外優勢單位發起了“優薯計劃”,即運用“基因組設計”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,是對馬鈴薯產業的顛覆性創新。

二倍體育種已經成為全球馬鈴薯界的研究熱點,各國科學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,要實現二倍體雜交馬鈴薯育種,需克服兩個關鍵障礙: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。同時我們又發現了導致植株長勢弱、產量降低等表現的有害突變位點。通過‘基因組設計’,淘汰有害突變、聚合優良基因,最終解決了自交衰退的問題,選育出具有顯著雜種優勢的優薯1號品系。”

利用上述流程,該團隊已經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薯1號。小區試驗顯示優薯1號每667 m2的產量接近3 t,具有顯著的產量雜種優勢。以前種植馬鈴薯每667 m2需要200 kg種薯,而現在用種子只需要2 g,種植成本大大降低。同時,優薯1號具有高干物質含量和高類胡蘿卜素含量的特點,蒸煮品質佳。

優薯1號選育的成功,證明了雜交馬鈴薯育種的體系是可行的,預示著馬鈴薯育種即將進入一個快速迭代的過程。據介紹,目前優薯1號的抗病性還較差,但利用雜交育種技術可以實現品種的快速迭代,在較短時間內提高優薯1號的抗病性。下一步,科研團隊還將加強大規模雜交制種、種子育苗移栽等技術研發,為馬鈴薯種子的產業化推廣做準備。

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