深圳商報(bào)2019年1月15日訊 （記者張妍通訊員孟麗君文/圖）北京時(shí)間15日凌晨，由中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所（下稱“基因組所”）與云南師范大學(xué)（下稱“云師大”）馬鈴薯科學(xué)研究院共同完成的“馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎(chǔ)”在《自然·遺傳》（Nature Genetics）雜志在線發(fā)表，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)取得的第二項(xiàng)重大理論突破。
日前，深圳商報(bào)作為獨(dú)家受邀的深圳媒體赴云師大參加“優(yōu)薯計(jì)劃”年度進(jìn)展討論會(huì)，見(jiàn)證我國(guó)目前馬鈴薯科研的最新成果。
馬鈴薯既是蔬菜也是排在水稻與小麥之后的世界第三大糧食作物，地位“超然”。國(guó)際馬鈴薯中心于1971年成立，1998年起中國(guó)每年舉行馬鈴薯大會(huì)，而2016年云師大聯(lián)合基因組所、云南英茂集團(tuán)成立了世界上首家馬鈴薯科學(xué)研究院。但馬鈴薯種植一直存在瓶頸，主要依靠薯塊，不易運(yùn)輸保存、易染病，種植成本高。近年來(lái)，全世界科學(xué)家在馬鈴薯“種子化”進(jìn)程上全力“賽跑”，中國(guó)科學(xué)家相繼解決了馬鈴薯自交不親和與自交衰退兩大關(guān)鍵問(wèn)題，也就是如何培育出馬鈴薯的種子和如何保證用種子種出來(lái)的馬鈴薯更大更壯。
一場(chǎng)關(guān)于馬鈴薯顛覆性“綠色革命”
科學(xué)家在談到馬鈴薯時(shí)都提到“四倍體”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，體細(xì)胞中含有4個(gè)染色體組的生物個(gè)體就是“四倍體”。由于四倍體基因高度雜合，使得優(yōu)良基因很難聚合在一起，所以育種周期長(zhǎng)。另外，薯塊繁殖成本高，1公斤薯塊只能收獲10公斤的馬鈴薯，且易感染病蟲害。
為了破解這些難題，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、深圳市和云南省的支持下，基因組所聯(lián)合云師大等國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，以基因組學(xué)和合成生物學(xué)為指導(dǎo)，用二倍體替代同源四倍體，并用種子替代薯塊繁殖。該項(xiàng)目被中國(guó)農(nóng)科院列為“重大產(chǎn)出科研選題”之一。
“優(yōu)薯計(jì)劃”牽頭人、基因組所所長(zhǎng)黃三文表示，這是一場(chǎng)顛覆馬鈴薯育種和繁殖方式的“綠色革命”。他指出，過(guò)去種植一畝馬鈴薯需要200公斤薯塊，現(xiàn)在只需2克種子，生產(chǎn)成本大大降低。而我國(guó)馬鈴薯種植面積近億畝，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值可想而知。
馬鈴薯其實(shí)是番茄的“姐妹”
黃三文表示，玉米雜交育種的成功經(jīng)驗(yàn)為二倍體馬鈴薯雜交育種提供了重要借鑒?？蒲腥藛T們找到了導(dǎo)致二倍體馬鈴薯自交無(wú)法產(chǎn)生種子的核糖核酸酶基因S-RNase，并通過(guò)基因組編輯方法敲除這個(gè)基因，得到了自交親和、可產(chǎn)生種子的二倍體馬鈴薯。這一研究成果于2018年8月發(fā)表在《自然·植物》（Nature Plants）上。
記者在云師大馬鈴薯科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室里看到了二倍體馬鈴薯的花朵和果實(shí)?！榜R鈴薯的花朵非常鮮艷，而且花期很長(zhǎng)，十分適合觀賞。”基因組所張春芝博士捧著自己培育的一盆二倍體馬鈴薯說(shuō)。記者仔細(xì)觀察，馬鈴薯的花很像較為纖細(xì)的喇叭花，而它的果實(shí)跟綠色的小番茄無(wú)異，聞起來(lái)還有股特殊的清香。
“這是因?yàn)轳R鈴薯是茄科植物，它與番茄可稱之為‘姐妹’?！睆埓褐ケ硎荆趲装偃f(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中，馬鈴薯變成了塊莖類作物，而番茄卻變成了果實(shí)類作物，可見(jiàn)自然進(jìn)化的力量之強(qiáng)。
可通過(guò)遺傳重組清除有害突變
馬鈴薯種子是從果實(shí)里得出的，收集起一碟放在桌上，有點(diǎn)像一盤孜然?！艾F(xiàn)在二倍體馬鈴薯的種子非常小，相當(dāng)于芝麻的十分之一，而且自交后表現(xiàn)出非常嚴(yán)重的自交衰退。”黃三文說(shuō)，這就給科研團(tuán)隊(duì)提出了第二個(gè)問(wèn)題，如何解決“自交衰退”問(wèn)題。
云師大馬鈴薯研究院副院長(zhǎng)尚軼表示，其實(shí)自然界中70%的馬鈴薯種質(zhì)資源為二倍體，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)151份二倍體馬鈴薯進(jìn)行重測(cè)序，鑒定了全基因組范圍內(nèi)共344831個(gè)有害突變。研究發(fā)現(xiàn)，有害突變聚集的“重災(zāi)區(qū)”在靠近著絲粒區(qū)域。著絲粒可以看作是兩條染色臂之間的連接點(diǎn)，在這里脫氧核糖核酸（DNA）高度重復(fù)，重組率非常低，因此很難通過(guò)傳統(tǒng)育種方法全部清除這么多的有害突變。
研究進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，任意兩份二倍體材料之間相同的有害突變僅為11%，說(shuō)明馬鈴薯中的有害突變具有品系特異性，可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態(tài)，獲得具有雜種優(yōu)勢(shì)的F1雜交種。
“為進(jìn)一步鑒定這些有害突變的遺傳效應(yīng)，我們構(gòu)建了3個(gè)二倍體馬鈴薯自交分離群體，并開(kāi)發(fā)了一套不依賴于親本的基因分型方法?！睆埓褐ケ硎?，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯群體中的一個(gè)稀有突變。研究最終發(fā)現(xiàn)，這些大效應(yīng)的有害突變主要位于重組率較高的區(qū)域，可以通過(guò)遺傳重組將它們有效清除。
預(yù)計(jì)首批馬鈴薯種子示范推廣從云南開(kāi)始
這一研究成果15日凌晨在線發(fā)表在的《自然·遺傳》上，也就是說(shuō)二倍體馬鈴薯培育的兩大障礙已被基本掃除。
盧肖平表示，2018年7月的中國(guó)馬鈴薯大會(huì)上，來(lái)自國(guó)際馬鈴薯中心的首席科學(xué)家談到了二倍體馬鈴薯的培育，并預(yù)計(jì)在5到7年左右取得突破?！爱?dāng)他們了解到中國(guó)的科研步伐后，完全沒(méi)有想到會(huì)這么快。”
據(jù)悉，科研團(tuán)隊(duì)下一步將通過(guò)淘汰自交衰退基因，獲得優(yōu)良的馬鈴薯自交系，選育優(yōu)良的雜交組合，提高馬鈴薯種子品質(zhì)，加強(qiáng)種子播種栽培管理，同時(shí)選取合適區(qū)域開(kāi)展馬鈴薯種子的示范推廣。
“云南是馬鈴薯的‘第二故鄉(xiāng)’?！痹茙煷篑R鈴薯科學(xué)研究院副院長(zhǎng)李燦輝表示，云南的氣候環(huán)境與馬鈴薯原產(chǎn)地南美洲安第斯山脈非常相似，而且一年四季可種植馬鈴薯，因此預(yù)計(jì)首批馬鈴薯種子的示范推廣地區(qū)也將在云南省選擇。