馬鈴薯育種實現顛覆性突破

近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（以下簡稱“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。6月24日，國際學術期刊CELL（《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。這標志著“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。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，就是有四套基因組。我們人類是二倍體物種，遺傳比較簡單，而四倍體物種就比較復雜，無論是做育種還是做研究，挑戰都非常大。”

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，也導致了產業發展面臨著更多難題。

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，基因組所所長黃三文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。黃三文告訴記者，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進行繁育的問題。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。我們通過‘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。”

2020年11月，在云南省德宏州盈江縣，“優薯1號”進行了小區試驗。2021年2月，馬鈴薯成熟采收后測產，第一代新品種馬鈴薯的種植效果遠超預期。張春芝表示：“當地最好的馬鈴薯品種每667平方米產量也就3噸左右，10多年來產量沒有明顯提升。而第一代雜交的馬鈴薯每667平方米產量就接近了3噸，以前種植667平方米馬鈴薯需要200千克種薯，而現在用種子只需要2克，種植成本大大降低。”除了種植成本降低，“優薯1號”的品質也很好，具有高干物質含量和高類胡蘿卜素含量的特點。

張春芝說：“以前在四倍體水平上進行的馬鈴薯育種，每一次雜交都是對四套基因組的重排，育種結果不可預測。現在利用雜交馬鈴薯育種體系，育種家可以利用現代育種技術在已有自交系的基礎上進行定向改良，選擇配制最佳的組合。”“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，“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。