中國科學報：里程碑式突破-國內外專家點評第一代基因組設計的雜交馬鈴薯_風聞

北京時間2021年6月24日晚23時，《細胞》在線發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所（以下稱“基因組所”）黃三文團隊完成的論文——“雜交馬鈴薯的基因組設計”，這是“優薯計劃”實施以來取得的里程碑式突破。

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。與穀物類糧食作物不同，栽培馬鈴薯是依靠薯塊進行無性繁殖的同源四倍體物種。

由於四倍體遺傳的複雜性，馬鈴薯的遺傳改良進程緩慢，一些上百年曆史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。

馬鈴薯產業面臨的另外一個挑戰是薯塊的繁殖係數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害。

為了徹底解決馬鈴薯產業面臨的問題，黃三文團隊聯合雲南師範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，並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。

馬鈴薯果實和種子。農科院基因組所供圖

黃三文告訴《中國科學報》，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。

自交不親和是指植物自花授粉後不會產生種子的現象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和的問題。在前期研究中，黃三文團隊通過基因組編輯技術敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因（Ye et al., Nature Plants, 2018），篩選到了S-RNase的天然突變體（Zhang et al., Nature Genetics, 2019），並克隆了來自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和的問題。

自交衰退是指生物在自交之後出現生理機能的衰退，表現為生活力下降、抗性減弱、產量降低等。馬鈴薯作為異交作物，在長期的無性繁殖過程中，累積了大量的隱性有害突變，一旦自交之後，有害突變的不良效應便會顯現出來，導致自交衰退。與自交不親和由少數幾個基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更難克服。

前期，黃三文團隊對馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎進行了系統解析。他們發現，導致自交衰退的有害突變鑲嵌分佈在馬鈴薯的兩套基因組中，無法通過重組將它們徹底淘汰（Zhou et al., Nature Genetics, 2020）。

但是，不同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性，可以通過對遺傳背景差異大的自交系進行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應（Zhang et al., Nature Genetics, 2019）。這些研究表明，基於表型選擇的育種策略，難以克服自交衰退的問題，必須藉助於基因組大數據開展設計育種，才能有效地淘汰有害突變。

論文第一作者、基因組所研究員張春芝告訴《中國科學報》，在此基礎之上，他們藉助在基因組學研究方面的優勢，利用基因組大數據進行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種流程，主要包括四個環節：

（1）選擇用於培育自交系的起始材料，選擇標準是起始材料的基因組雜合度較低和有害突變數目較少；

（2）對起始材料自交羣體進行遺傳解析，根據全基因組偏分離分析和表型評價，確定大效應有害等位基因和優良等位基因在基因組中的分佈；

（3）選育自交系，根據前景和背景選擇淘汰大效應的有害突變，並聚合優良等位基因，尤其是要打破大效應有害突變和優良等位基因之間的連鎖；

（4）選育雜交種，根據基因組測序結果，選擇基因組互補性較高的自交系進行雜交，獲得雜種優勢顯著的雜交種。

第一代二倍體馬鈴薯雜交種具有顯著的雜種優勢。中國農科院基因組所供圖

利用上述流程，該團隊已經培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優薯1號”。

小區試驗顯示，“優薯1號”的產量接近3噸/畝，具有顯著的產量雜種優勢。同時，“優薯1號”具有高幹物質含量和高類胡蘿蔔素含量的特點，蒸煮品質佳。

適合蒸煮的優薯1號。農科院基因組所供圖

“優薯1號”的成功選育證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯遺傳改良進入了快速迭代的軌道。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006

《中國科學報》就此成果採訪了國內外專家，以饗讀者。

中國科學院院士、北京大學原校長許智宏：

孕育着馬鈴薯育種史的一次革命

《中國科學報》：馬鈴薯作為一種薯類糧食作物，在我國糧食生產中的地位如何？和水稻小麥玉米等主糧作物相比，馬鈴薯的育種進展比較緩慢，這是什麼原因造成的？

許智宏：馬鈴薯因其高產而且營養豐富，又適於加工成各種不同的產品，已成為我國第四大糧食作物。但和水稻、小麥和玉米等主糧作物相比，馬鈴薯的育種進展比較緩慢。原因是栽培馬鈴薯是依靠薯塊進行無性繁殖的同源四倍體物種。四倍體馬鈴薯基因組高度雜合，這給遺傳分析帶來不少困難，而且還有很多有害突變隱藏在四套基因組中，很難通過遺傳重組進行淘汰，這是馬鈴薯育種進展緩慢的主要原因。

《中國科學報》：雜交馬鈴薯育種技術的出現對馬鈴薯品種的改良會產生什麼影響？

許智宏：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，選擇配製最佳的組合，用雜交一代種子繁殖馬鈴薯，也避免原代種薯感染病毒，使馬鈴薯育種進入快速迭代的時代。

這一工作孕育着馬鈴薯育種歷史上的一次革命！

《中國科學報》：在這項工作中，採用了基因組設計育種。您認為基因組設計對農作物育種有什麼影響？

許智宏：基因組是一個物種遺傳信息的載體。有了基因組數據的幫助，科學家可以前所未有的速度解析一個物種基因組所隱藏的各種信息。

在農業育種領域，基因組測序一方面幫助科研人員挖掘了大量的控制各種農藝性狀的基因，為作物改良提供靶點；另一方面也產生了很多新的育種技術，如背景選擇、基因組預測等，結合一些先進的基因操作技術，加快了育種速度。這也奠定了當前科學家提出人工分子設計育種（或精準設計育種）的基礎。

《中國科學報》：從目前雜交馬鈴薯的產量和品質來看，馬鈴薯雜交種子真正實現產業化還有哪些問題要解決？大概還需要多長時間？

許智宏：據我所知，目前第一代二倍體馬鈴薯雜交種的產量和品質還是不錯的，如果要產業化的話，還需要解決一些生產上的問題，比如大規模雜交制種、種子育苗移栽等。時間上不光要考慮科研人員的進展，還要考慮到種植者的接受程度，我覺得5到10年可能是一個比較合理的預期。

國際著名馬鈴薯專家、荷蘭瓦赫寧根大學教授Evert Jacobsen：

雜交馬鈴薯將實現快速的品種改良

《中國科學報》：馬鈴薯用種子繁殖將會帶來什麼益處？為什麼科學家會關注馬鈴薯的雜交種子問題？

Jacobsen：來自馬鈴薯品種的營養繁殖的塊莖必須首先在田間擴繁。起始材料是健康的薯塊。擴繁過程中最大的風險之一是病毒感染。因此最好是在無毒條件下繁殖種薯。這些地方並不容易找到。整個繁殖系統的基礎是將病毒感染保持在低水平。

另一個缺點是種薯在其他地方繁殖，而不是在商品薯的種植地。因此，通過陸運或者海運運輸大量種薯需要花費大量時間、金錢和精力。

F1雜交馬鈴薯品種的種子很小，可以直接郵寄。馬鈴薯中幾乎所有的病毒病都不是通過種子傳播的，這是一個主要優勢。

不過，二倍體 F1 雜交品種的一個重要問題是，與四倍體相比，二倍體對不同環境情況的適應能力可能會降低。不久的將來可以確認這種擔憂是否存在。

《中國科學報》：Cell雜誌這次發表的論文，您認為對於科學界和農業產業界來説，分別有什麼意義？

Jacobsen：Cell 論文很重要，因為它證明可以快速獲得不同二倍體馬鈴薯品系的高度純合性。許多有害等位基因可以通過分子選擇快速去除，並且可以選育到和經典品種產量差不多的F1雜種優勢組合。

下一步是開發更多具有重要性狀的自交系，並通過漸滲抗逆或者品質相關的基因來改良現有自交系。這意味着可以通過基因漸滲育種對現有的優質F1雜交種進行更多農藝性狀的改良。

英國皇家學會會員、塞恩斯伯裏實驗室（Sainsbury）教授Sophien Kamoun：

在本質上徹底改造了馬鈴薯

《中國科學報》：您如何評價中國農業科學家對雜交馬鈴薯育種這項成果？

Kamoun：黃三文研究員及其團隊的工作在本質上徹底改造了馬鈴薯。他們幾乎是從零開始重新改造了這個作物。他們利用以前生產上很少用到的一些品種，將它們進行雜交，重新創造了馬鈴薯。

他們之所以能做到是因為他們掌握了基因組學最前沿的進展，這使得他們可以用很低的成本但是非常高效地淘汰馬鈴薯的有害突變。該研究在通過對馬鈴薯進行快速且低成本的基因組測序以清除有害突變方面做得非常出色。

這項研究改變了馬鈴薯育種的遊戲規則。我對此感到非常興奮。

《中國科學報》：目前馬鈴薯晚疫病是全世界馬鈴薯產業的頑疾，您認為未來解決馬鈴薯晚疫病問題的出路在哪裏？雜交馬鈴薯種子的出現是否能為此提供一個新路徑？

Kamoun：確實，馬鈴薯晚疫病是一種非常具有破壞性的病害。培育抗病品種是一種可持續的解決方案。我們的夢想是將馬鈴薯變成這種疾病的非宿主。雜交馬鈴薯技術將通過加速抗性品種的傳統育種或通過生物技術方法引入晚疫病抗性基因來促進這一目標的實現。這兩種方法都受益於雜交馬鈴薯技術。

另一種看待這個問題的角度是將馬鈴薯晚疫病抗性基因的利用看作是“疫苗接種”。本質上，我們已經有了疫苗（抗病基因），但將它們輸送到馬鈴薯中很複雜。雜交馬鈴薯技術可以極大地加快抗病基因的輸入，因為它提供了一種全新的育種方法。

國際馬鈴薯中心亞太中心主任盧肖平：

給馬鈴薯產業帶來革命性變化

《中國科學報》：國際馬鈴薯中心為什麼要關注和參與馬鈴薯雜交種子的研究？

盧肖平：作為一個全球性的研發機構，國際馬鈴薯中心是國際農業磋商組織的成員之一。我們一直在關注新技術的突破及其在研發和生產中的利用情況。水稻等農作物在採用雜交技術後使得產量大規模增長。這讓我們思考，馬鈴薯育種中能不能利用類似技術提高產量，同時提高品質適應市場的多元化需求。這在以前是很難實現的。

《中國科學報》：雜交種子在實驗田的完成對於產業界將會產生什麼影響？未來何時可以實現產業化？還有哪些問題需要解決？

盧肖平：馬鈴薯雜交種子的大規模應用將可能會給馬鈴薯產業發展帶來一場革命性的變化。

現在馬鈴薯生產依靠種薯，運輸和儲藏成本很大。改為種子繁殖的話，這部分成本會大大削減，並給產業界帶來很多便利。

用種子播種的生產方式進行大規模生產，也會對馬鈴薯的生長季長短產生影響和變化，進而影響和其他作物的接茬連作種植方式。這將可能導致整個作物的佈局和耕作方式的變化，所以我將其稱之為“革命性”變化。

就我瞭解到的情況，科技界和產業界面對新技術都還是充滿期待的，但肯定需要有一個適應、接納進而可持續發展的過程，這一路不會簡單。