深圳商報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，由中國農科院深圳農業(yè)基因組所（下稱(chēng)“基因組所”）與云南師范大學(xué)（下稱(chēng)“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”在《自然·遺傳》（Nature Genetics）雜志在線(xiàn)發(fā)表，這是“優(yōu)薯計劃”實(shí)施以來(lái)取得的第二項重大理論突破。
日前，深圳商報作為獨家受邀的深圳媒體赴云師大參加“優(yōu)薯計劃”年度進(jìn)展討論會(huì )，見(jiàn)證我國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”。國際馬鈴薯中心于1971年成立，1998年起中國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(cháng)。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(chóng)害。
為了破解這些難題，在農業(yè)農村部、深圳市和云南省的支持下，基因組所聯(lián)合云師大等國內外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，以基因組學(xué)和合成生物學(xué)為指導，用二倍體替代同源四倍體，并用種子替代薯塊繁殖。該項目被中國農科院列為“重大產(chǎn)出科研選題”之一。
“優(yōu)薯計劃”牽頭人、基因組所所長(cháng)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，現在只需2克種子，生產(chǎn)成本大大降低。而我國馬鈴薯種植面積近億畝，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟價(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(cháng)，十分適合觀(guān)賞?！被蚪M所張春芝博士捧著(zhù)自己培育的一盆二倍體馬鈴薯說(shuō)。記者仔細觀(guān)察，馬鈴薯的花很像較為纖細的喇叭花，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。
“這是因為馬鈴薯是茄科植物，它與番茄可稱(chēng)之為‘姐妹’?！睆埓褐ケ硎?，在幾百萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中，馬鈴薯變成了塊莖類(lèi)作物，而番茄卻變成了果實(shí)類(lèi)作物，可見(jiàn)自然進(jìn)化的力量之強。
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(pán)孜然?！艾F在二倍體馬鈴薯的種子非常小，相當于芝麻的十分之一，而且自交后表現出非常嚴重的自交衰退?！秉S三文說(shuō)，這就給科研團隊提出了第二個(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(cháng)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，科研團隊通過(guò)對151份二倍體馬鈴薯進(jìn)行重測序，鑒定了全基因組范圍內共344831個(gè)有害突變。研究發(fā)現，有害突變聚集的“重災區”在靠近著(zhù)絲粒區域。著(zhù)絲?？梢钥醋魇莾蓷l染色臂之間的連接點(diǎn)，在這里脫氧核糖核酸（DNA）高度重復，重組率非常低，因此很難通過(guò)傳統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，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)精心設計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)勢的F1雜交種。
“為進(jìn)一步鑒定這些有害突變的遺傳效應，我們構建了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(lài)于親本的基因分型方法?！睆埓褐ケ硎?，研究團隊發(fā)現了馬鈴薯群體中的一個(gè)稀有突變。研究最終發(fā)現，這些大效應的有害突變主要位于重組率較高的區域，可以通過(guò)遺傳重組將它們有效清除。
預計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(xiàn)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月的中國馬鈴薯大會(huì )上，來(lái)自國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，并預計在5到7年左右取得突破?！爱斔麄兞私獾街袊目蒲胁椒ズ?，完全沒(méi)有想到會(huì )這么快?！?/p>
據悉，科研團隊下一步將通過(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)，加強種子播種栽培管理，同時(shí)選取合適區域開(kāi)展馬鈴薯種子的示范推廣。
“云南是馬鈴薯的‘第二故鄉’?！痹茙煷篑R鈴薯科學(xué)研究院副院長(cháng)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，因此預計首批馬鈴薯種子的示范推廣地區也將在云南省選擇。