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(guó)的第四大主糧。但是千百年來(lái)，它的生產(chǎn)都依靠薯塊進(jìn)行無(wú)性繁殖，導(dǎo)致繁殖系數(shù)低、儲(chǔ)運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害……近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家們正在開展一項(xiàng)“優(yōu)薯計(jì)劃”來(lái)改變這一狀況。
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（簡(jiǎn)稱基因組所）黃三文團(tuán)隊(duì)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(jì)的雜交馬鈴薯問(wèn)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。6月24日，國(guó)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(jì)）”的研究成果。這標(biāo)志著“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)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(wú)性繁殖的同源四倍體物種。什么是四倍體呢？論文第一作者、基因組所張春芝研究員告訴記者：通俗地說(shuō)，就是有四套基因組。我們?nèi)祟愂嵌扼w物種，遺傳比較簡(jiǎn)單，而四倍體物種就比較復(fù)雜，無(wú)論是做育種還是做研究，挑戰(zhàn)都非常大。
馬鈴薯遺傳的復(fù)雜性，導(dǎo)致育種過(guò)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(guó)的薯?xiàng)l加工型品種Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美國(guó)的第一大品種。中國(guó)栽培面積最大的品種“克新1號(hào)”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(wú)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(wèn)題，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國(guó)農(nóng)科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(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，即運(yùn)用“基因組設(shè)計(jì)”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(duì)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(guó)科學(xué)家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作�；蚪M所所長(zhǎng)黃三文樣研究員告訴記者，要實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個(gè)關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。
黃三文說(shuō)：“馬鈴薯自交不親和，也就是馬鈴薯自花授粉后不會(huì)產(chǎn)生種子的問(wèn)題。我們通過(guò)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(wèn)題。同時(shí)我們又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致植株長(zhǎng)勢(shì)弱、產(chǎn)量降低等表現(xiàn)的有害突變位點(diǎn)。我們通過(guò)‘基因組設(shè)計(jì)’，淘汰有害突變、聚合優(yōu)良基因，最終解決了自交衰退的問(wèn)題，選育出具有顯著雜種優(yōu)勢(shì)的‘優(yōu)薯1號(hào)’品系。”
2020年11月，在云南省德宏州盈江縣，“優(yōu)薯1號(hào)”進(jìn)行了小區(qū)試驗(yàn)。今年2月，馬鈴薯成熟采收后測(cè)產(chǎn)，第一代新品種馬鈴薯的種植效果遠(yuǎn)超預(yù)期。張春芝表示：“當(dāng)?shù)刈詈玫鸟R鈴薯品種每畝產(chǎn)量也就3噸左右，十多年來(lái)產(chǎn)量沒(méi)有明顯提升。而第一代雜交的馬鈴薯畝產(chǎn)就接近了3噸，以前種植一畝馬鈴薯需要200公斤種薯，而現(xiàn)在用種子只需要2克，種植成本大大降低。”除了種植成本降低， “優(yōu)薯1號(hào)”的品質(zhì)也很好，具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點(diǎn)。
張春芝說(shuō)：“以前在四倍體水平上進(jìn)行的馬鈴薯育種，每一次雜交都是對(duì)四套基因組的重排，育種結(jié)果不可預(yù)測(cè)�，F(xiàn)在利用雜交馬鈴薯育種體系，育種家可以利用現(xiàn)代育種技術(shù)在已有自交系的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向改良，選擇配制最佳的組合�！� “優(yōu)薯1號(hào)”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(gè)快速迭代的過(guò)程。據(jù)介紹，目前，“優(yōu)薯1號(hào)”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(shí)間內(nèi)提高“優(yōu)薯1號(hào)”的抗病性。下一步，科研團(tuán)隊(duì)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。
