第一代基因组设计的杂交马铃薯问世 “优薯计划”取得里程碑式突破

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物，全球有13亿人口以马铃薯为主食，是全球第三大主粮，也是中国的第四大主粮。但是千百年来，它的生产都依靠薯块进行无性繁殖，导致繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害……近年来，我国科学家正在开展一项“优薯计划”来改变这一状况。

基因组所所长黄三文（左）指导学生开展基因组设计有关实验

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（简称基因组所）黄三文团队最新研究成果实现了颠覆性创新，第一代基因组设计的杂交马铃薯问世，用二倍体育种替代四倍体育种，用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。6月24日，国际学术期刊《细胞》在线发表了题为“Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）”的研究成果。这标志着“优薯计划”实施以来取得了里程碑式的突破。

与其他粮食作物不同，马铃薯是进行无性繁殖的同源四倍体物种。什么是四倍体呢？论文第一作者、基因组所张春芝研究员告诉记者：“通俗地说，就是有四套基因组。我们人类是二倍体物种，遗传比较简单，而四倍体物种就比较复杂，无论是做育种还是做研究，挑战都非常大。”

马铃薯遗传的复杂性，导致育种过程非常缓慢，全世界还有上百年的老品种仍在大面积种植。比如，美国的薯条加工型品种Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美国的第一大品种。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的，至今已经种植了60多年。此外，马铃薯不靠种子繁殖，而是靠薯块进行无性繁殖，也导致了产业面临着更多难题。

为了彻底解决马铃薯产业面临的问题，在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下，基因组所黄三文研究员联合云南师范大学等国内外优势单位发起了“优薯计划”，即运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。这是马铃薯育种和繁殖的新底层技术，是对马铃薯产业的颠覆性创新。

二倍体育种已经成为全球马铃薯界的研究热点，各国科学家纷纷呼吁开展二倍体的研究和育种工作。基因组所所长黄三文研究员告诉记者，要实现二倍体杂交马铃薯育种，需克服两个关键障碍：自交不亲和与自交衰退。

黄三文说：“马铃薯自交不亲和，也就是马铃薯自花授粉后不会产生种子的问题。我们通过材料筛选和基因编辑，彻底解决了马铃薯靠种子自身繁育的问题。同时我们又发现了导致植株长势弱、产量降低等表现的有害突变位点。我们通过‘基因组设计’，淘汰有害突变、聚合优良基因，最终解决了自交衰退的问题，选育出具有显著杂种优势的‘优薯1号’品系。”

2020年11月，在云南省德宏州盈江县，“优薯1号”进行了小区试验。今年2月，马铃薯成熟采收后测产，第一代新品种马铃薯的种植效果远超预期。张春芝表示：“当地最好的马铃薯品种每亩产量也就3吨左右，10多年来产量没有明显提升。而第一代杂交的马铃薯亩产就接近了3吨。以前种植一亩马铃薯需要200公斤种薯，而现在用种子只需要2克，种植成本大大降低。”除了种植成本降低外，“优薯1号”的品质也很好，具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点。

张春芝说：“以前在四倍体水平上进行的马铃薯育种，每一次杂交都是对四套基因组的重排，育种结果不可预测。现在利用杂交马铃薯育种体系，育种家可以利用现代育种技术在已有自交系的基础上进行定向改良，选择配制最佳的组合。”“优薯1号”选育的成功，证明了杂交马铃薯育种的体系是可行的，预示着马铃薯育种即将进入一个快速迭代的过程。据介绍，目前，“优薯1号”的抗病性还较差，但利用杂交育种技术，可以实现品种的快速迭代，在较短时间内提高“优薯1号”的抗病性。下一步，科研团队还将加强大规模杂交制种、种子育苗移栽等技术研发，为马铃薯种子的产业化推广做准备。(李丽颖)