2023-05-29 16:36:22
新的技術(shù)，可能讓馬鈴薯育種進入全新的階段，在未來，馬鈴薯育種會像小麥、玉米那樣，每三五年就會更新一次。
很少有人了解，在快餐店里吃的薯條，它們的品種是一百二十年前育成的。百年來，育種科學(xué)家們一直在嘗試培育更好的馬鈴薯，但效果并不理想。
在育種科技飛速發(fā)展的今天，馬鈴薯育種卻進程緩慢、遲遲難以獲得突破性進展。是什么影響著馬鈴薯品種的培育，又該如何解開百年難題？
2023年5月4日23點，全球頂級期刊《細胞》雜志報道了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果，該成果利用進化基因組學(xué)最新方法，并發(fā)明了一種新的“進化透鏡”技術(shù)，給育種家一雙“火眼金睛”，能夠及早發(fā)現(xiàn)出阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”避免育種“走錯路”，加速馬鈴薯育種的進程。
“該成果將成為馬鈴薯育種實現(xiàn)雜交育種的關(guān)鍵基礎(chǔ)。”中國科學(xué)院院士李家洋表示，“該研究和一系列相關(guān)成果，奠定了我國在馬鈴薯遺傳育種研究領(lǐng)域的國際優(yōu)勢地位?！?/p>
利用進化基因組學(xué)鑒定馬鈴薯保守位點信息，結(jié)合馬鈴薯群體的信息，構(gòu)建了馬鈴薯有害突變二維圖譜（上圖）。利用該圖譜發(fā)現(xiàn)了‘不選壯苗選弱苗’的反直覺規(guī)律，可以有效選取自交系的起始材料（左下圖）。同時，利用該圖譜開發(fā)了一個新的全基因組預(yù)測模型，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期（右下圖）。中國農(nóng)科院供圖
育種難題，為何百年難以突破
馬鈴薯是我國第四大糧食作物，也是全球最主要的糧食來源之一，數(shù)據(jù)顯示，在全世界，有13億人以馬鈴薯為主要糧食。
馬鈴薯產(chǎn)量高、用水少、耐瘠薄，可以在貧瘠的山地、邊緣土地上種植，是優(yōu)質(zhì)的糧食作物。然而，傳統(tǒng)的栽培馬鈴薯是同源四倍體，也就是有四套基因組，這使得它的育種比有兩套基因組的水稻、玉米等，復(fù)雜了許多。更麻煩的是，二倍體馬鈴薯具有自交不親和和自交衰退的特征，也就是說，將馬鈴薯進行自交后，無法產(chǎn)生成熟的種子，或者自交之后，后代各種性狀如產(chǎn)量等，遠低于父母代。
這些問題使得馬鈴薯的育種難以利用現(xiàn)代有性技術(shù)，而更多依靠無性繁殖的方法，也就是塊莖繁殖。因此，馬鈴薯育種進展極其緩慢。中國農(nóng)科院基因組所博士后吳瑤瑤介紹，當(dāng)前快餐店做薯條的馬鈴薯，還是一百二十年前育成的，在全球各地普遍種植。“并不是它有很多優(yōu)點，恰恰相反，它很容易感染馬鈴薯晚疫病等各種病蟲害，之所以還在用它，是因為沒有出現(xiàn)比它更好的品種?！?/p>
傳統(tǒng)的主栽品種，除了容易感染疾病外，塊莖種植的方式，還使得它的成本更高且更容易被各種植物病毒侵害，吳瑤瑤介紹，“用塊莖種植，繁殖系數(shù)只有一比十，收獲十份馬鈴薯，得留一個馬鈴薯作為種薯，一畝地需要二百公斤的薯塊，這也意味著馬鈴薯種植成本較高，且極大地降低了產(chǎn)量，并且薯塊繁殖運輸成本高，還易感染病蟲害。”
優(yōu)薯計劃，開啟一場十年攻關(guān)
馬鈴薯育種亟需變革，不僅在中國如此，在全球也是如此。事實上，相關(guān)的技術(shù)攻關(guān)早已經(jīng)開始，但進展并不多，國外育種團隊將一個品種連續(xù)自交九代，但仍然有20%的基因組都是雜合的，難以利用。
為了解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的難題，黃三文研究員聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃” ，引領(lǐng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”。黃三文研究員介紹，團隊最初的目標(biāo)，是把馬鈴薯繁殖的方式，從塊莖繁殖，轉(zhuǎn)變?yōu)榉N子繁殖，種子繁殖有許多優(yōu)點，一方面可以把育種周期從十年以上，降低到三年左右。另一方面，用種子繁殖代替薯塊繁殖，馬鈴薯的種子非常小，一畝地只需要兩克，成本極低。同時，相對薯塊，種子攜帶的各種病毒非常少，如果實現(xiàn)，有可能改變種薯脫毒的歷史。
如何實現(xiàn)“優(yōu)薯計劃”？黃三文研究員介紹，攻關(guān)的第一步，是建立高度純合的自交系，高度純合的自交系，可以使雜交種保持性狀的一致，也就是說，產(chǎn)量、品質(zhì)都相對一致，這是品種產(chǎn)生的必要條件。而要建立自交系，就需要克服兩個困難，第一是自交不親和，第二是自交衰退。事實上，國際上曾經(jīng)九代自交而沒有成功建立自交系的原因，正是因為自交衰退。
為實現(xiàn)這一目的，黃三文團隊利用最新的基因組技術(shù)和工具，拼接了馬鈴薯雙單倍體、二倍體和四倍體及泛基因組，并徹底打破自交不親和的問題，使四倍體的自交，可以產(chǎn)生成熟的后代。初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)，通過剔除極大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種。
歷史透鏡，揭開十二億年進化史
雜交育種中，通過連續(xù)自交，獲得自交系是最關(guān)鍵的步驟。自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及產(chǎn)量下降）是動植物界的普遍現(xiàn)象。在馬鈴薯自交過程中，第二代、第三代可能會快速衰退，無法繼續(xù)用于生產(chǎn)。甚至在育種過程中，自交后代本身的性狀，可能比父本母本差很多。
“這主要是作物基因組中對作物有害的突變引起的?！秉S三文研究員說，“要解決自交衰退的問題，就要知道有哪些有害突變，它們在哪里？有害程度有多高？又是怎樣出現(xiàn)有害作用的？”
現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展，使得科學(xué)家們對基因世界的認識越來越深入，也給育種家們提供了更好的工具。黃三文研究員介紹，“在前期，我們鑒定了一部分有害突變，并在育種中通過選擇，剔除了一部分大效應(yīng)的有害突變，在此基礎(chǔ)上，育成了優(yōu)薯1號。”
但更多的有害突變?nèi)晕辞宄?，尤其是在育種的親本中，并沒有表現(xiàn)出來的“隱形問題”，很難用傳統(tǒng)選育方法解決。這也意味著，馬鈴薯雜交育種中的重要難題“自交衰退”，其實并沒有真正被解決。
為此，一個新的計劃開啟了，這也是本次《細胞》雜志發(fā)表的主要成果之一。黃三文研究員介紹，“新的計劃是利用進化基因組學(xué)技術(shù)，去鑒定馬鈴薯基因中的有害突變，并對它們進行定量分析?！?/p>
如何才能鑒定出有害突變呢？科學(xué)家們選擇了一種新的方法，他們收集了100份茄科和旋花科的材料，馬鈴薯是典型的茄科作物，它有和茄子、西紅柿、辣椒等類似的茄果。旋花科和茄科同屬于管狀花目，代表作物是人們耳熟能詳?shù)募t薯。
黃三文研究員介紹：“利用基因組技術(shù)，我們繪制了100多份材料的進化樹，其中最長的相當(dāng)于進化了八千萬年，100份材料總進化時間為十二億年。有了這個圖譜，我們相當(dāng)于有了一個可以看清楚十二億年進化過程的歷史透鏡，我們就能知道，它們是怎么演變的?！?/p>
二維圖譜，億萬年時光濃縮成一瞬
有了這個二維圖譜可以為育種提供怎樣的幫助？黃三文研究員介紹，“我們選擇了一個角度，去分析整個進化樹，即每一個基因位點的保守性。何為保守性？簡單說，就是有哪些基因位點，是億萬年沒有變的，這些沒有變的位點，無疑是它們有著各種不可或缺的功能，如果這些基因發(fā)生突變，往往會對作物本身產(chǎn)生巨大的不利影響。簡單來說，如果那些本來不該變的基因發(fā)生了變異，那么往往就意味著疾病、退化甚至死亡等不利的結(jié)果?！边@些變異，基本上都可以被認為是對生物有害的突變。“由此，我們構(gòu)建了一個新的圖譜，即有害突變的二維圖譜，二維，是指的基因本身的信息和保守值（突變后有害程度）兩個維度。”
這張圖譜的意義極為關(guān)鍵，吳瑤瑤介紹，“有了這個圖譜后，我們就可以指哪兒打哪兒，高效地剔除對生物生長不利的有害突變?！?/p>
中國科學(xué)院院士錢前表示，這項技術(shù)大幅度提高了馬鈴薯全基因組預(yù)測效率，這將實現(xiàn)雜交馬鈴薯育種的早期決策，加速育種進程，通過剔除有害變異和聚合有益變異的策略，有望在短期內(nèi)通過基因組設(shè)計創(chuàng)建更多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交馬鈴薯。
“就在前不久，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項人類基因組進化約束區(qū)域的研究，而這些區(qū)域的變異，和人類的疾病發(fā)生直接相關(guān)?！敝袊茖W(xué)院院士金力表示，“進化約束應(yīng)用于醫(yī)學(xué)人類疾病和作物育種方面的高水平研究，兩者有異曲同工之妙?！?/p>
反向篩選，弱苗也可以出好種
進化透鏡如何真正改變育種？吳瑤瑤介紹，最直接的影響，就是改變了我們選擇制種起始材料的標(biāo)準(zhǔn)和方法。
在傳統(tǒng)雜交育種中，科學(xué)家們會在田間選擇那些長得更加茁壯的材料，進而一代代進行選育，最終選育出更好的品種。但通過進化透鏡，團隊科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這并不適用于自交系培育。肉眼觀察中長勢更好的馬鈴薯材料，在連續(xù)自交之后，反而會遺傳給后代更多的有害變異，“簡單來說，當(dāng)選擇了看起來很好的材料，自交了四到六代之后，已經(jīng)三五年過去了，最后得到的材料都不能用，不能用于構(gòu)建高度純合的自交系。”
有了有害變異的二維圖譜，科學(xué)家們就可以基因?qū)用孢M行篩選。然而有意思的是，“我們發(fā)現(xiàn)，長勢好的材料，傳給后代的有害變異反而更多，這是一個違反直覺的選擇即反直覺選擇。”吳瑤瑤說。
這種反直覺的選擇，可以高效進行自交系培育，這是一個極為關(guān)鍵的突破。黃三文研究員介紹，“在歷史上，美國在1910代開始做玉米的雜交育種，用了三十年時間，到1940年，才建成玉米相對成熟的自交系，然后又花了三十年，到1970年，總共花了六十年，基本完成了玉米雜交育種的突破，在這個過程中，玉米單產(chǎn)提高了八倍?！?/p>
值得一提的是，在玉米實現(xiàn)雜交技術(shù)的過程中，有經(jīng)驗的育種家也會反向選擇材料，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、國家玉米改良中心主任賴錦盛說，“玉米雜交中，育種家們會有意識地選擇那些看起來比較弱的苗。如今，科學(xué)家終于找到了反直覺篩選的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，讓我們知道，我們?yōu)槭裁匆@么做?！?/p>
“不選壯苗選弱苗，這一反直覺規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著作物育種進入一個新的時代，即育種家們不能僅僅關(guān)注自己的一畝三分地，更需要從一個更大的進化維度思考育種的新策略?！敝袊茖W(xué)院院士種康說。
育種革命，實現(xiàn)馬鈴薯雜交的關(guān)鍵突破
通過馬鈴薯進化的“進化透鏡”，利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，育種家們可以在更早的階段介入到篩選過程中，幫助育種家們實現(xiàn)“早期決策”。
吳瑤瑤介紹，一般情況下，育種家們把育種材料種在地里，需要4個多月的時間才能看到最終的效果，比如產(chǎn)量，要等到成熟之后去測產(chǎn)。而當(dāng)我們把馬鈴薯的有害突變二維圖譜用于構(gòu)建全基因組表型預(yù)測模型中，我們就能在幼苗期預(yù)測產(chǎn)量等性狀，知道它是不是我們需要的材料，不需要的材料，就不去種了，這種早期選擇，可以大幅度縮短馬鈴薯育種周期。
事實上，育種周期的縮短，只是結(jié)果之一，更重要的是開了進化透鏡新利器，為突破了馬鈴薯育種緩慢的百年難題，為馬鈴薯繁殖方式轉(zhuǎn)變、實現(xiàn)種子繁殖提供了最重要的工具。
“這是一個關(guān)鍵的突破，過去百年中，盡管全球的育種家們育成了很多新品種，但從本質(zhì)上看，和一百年前沒有質(zhì)的突破，這也是百年前的品種，今天還在大規(guī)模種植的原因之一。而新的技術(shù)，可能將改變這一進程，使得馬鈴薯育種進入全新的階段。在未來，馬鈴薯育種會像小麥、玉米那樣，每三五年就會更新一次?！秉S三文研究員說。
從薯塊繁殖到種子繁殖，馬鈴薯育種的技術(shù)突破，影響的遠不只馬鈴薯一種作物，中國科學(xué)院院士李家洋表示，這一成果，對糧、油、果、蔬、茶等多種作物的育種，都有重要的指導(dǎo)作用。
“其實當(dāng)前還有許多作物的育種，有和馬鈴薯類似的難題。比如蘋果，富士蘋果我們種了四五十年了，還是原來的品種，葡萄還是種植了900年的老品種，香蕉也是無性繁殖的，現(xiàn)在種香蕉，是1862年培育的，類似的還有很多。如果我們能夠把無性繁殖向有性繁殖的技術(shù)問題真正解決了，那么許多作物都可以通過這樣的技術(shù)來改良品種。”
這一未來還有多遠？黃三文研究員介紹，“我們用了十年的時間，研發(fā)的新成果可以幫助我們成功建立自交系，之后我們可能還需要五到十年的時間，才能真正實現(xiàn)種子繁殖。在歷史上，美國實現(xiàn)玉米育種技術(shù)的變革，花了六十年，我們希望用二十年的時間完成馬鈴薯的變革?！?/p>
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