我國科學家發明“進化透鏡”，馬鈴薯育種取得世界性突破

北京時間2023年5月4日，國際權威期刊《細胞（Cell）》在線發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進化基因組學鑑定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種）”。

該研究發明了一種新的“進化透鏡”技術，發現馬鈴薯進化約束及有害突變位點，繪製了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜，使我國在馬鈴薯育種基礎理論和技術上站在了世界領先地位。

繪製圖譜 精準鑑定進化突變

馬鈴薯育種是世界性難題，我們在快餐店吃的薯條還是來自120多年前育成的馬鈴薯品種，但是該品種容易感染病蟲害。

馬鈴薯之所以很難選育出相對較好的品種，因其有着“四套基因組”，遺傳分析很複雜。再加上，馬鈴薯屬於薯塊繁殖，繁殖係數僅1：10，相當於收穫10個土豆，人們需要留下一個作為“種子”，極大的增加了種植成本。

育種技術亟需變革。

人類早就發現，在進化過程中，物種的基因組並非一成不變。但是，一些具有重要功能的位點不會改變，它們會在進化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現象為進化約束（evolutionary constraint），把這些位點稱為進化保守位點。  

我國科學家團隊突破常規思維，將馬鈴薯育種放置在“進化論”這樣更廣的領域中去研究。

黃三文團隊便是這樣的開拓者。他們收集了100份茄科和旋花科的材料，通過基因組的比較分析，追蹤最長8千萬年、累計12億年的進化痕跡，在此基礎上開發出“進化透鏡”，用來發現馬鈴薯進化約束及有害突變的點位，繪製了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜。

黃三文介紹，“進化透鏡”技術的發明，給育種家安裝最強“火眼金睛”，讓他們能夠更早發現阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走彎路”，讓大家能夠更快吃上更優質的高產土豆。

解讀基因 育種決策更提前

二維圖譜能夠指導育種家更有效的進行起始材料選擇。

研究人員利用該圖譜又提出反直覺的自交系培育方法，還開發了一個全基因組預測新模型。

科學家可以利用模型解讀馬鈴薯的基因組，只需要苗期的DNA，就可以提前預測馬鈴薯育種材料的產量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種週期，該成果加速馬鈴薯育種進程，提高了馬鈴薯產量25％－45％的預測精確度。

“這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用”中國科學院院士、崖州灣實驗室主任、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋點評時説。

“黃三文團隊的這項研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預示着作物育種進入一個新的時代。”中國科學院院士、中科院植物所研究員種康給出高度評價。

明尼蘇達大學的教授彼得·莫雷爾認為，黃三文團隊設計實驗並有效鑑定出有害的遺傳變異，進而達到能夠長期不斷改良產量等性狀。

近年來，由中國科學家開展的“優薯計劃”相繼破解了馬鈴薯基因組解析、自交不親和、自交衰退等重大難題，培育出第一代自交系材料及雜交種，相關成果均已在國際頂尖學術期刊發表。

下一步，中國農業科學院深圳農業基因組研究所團隊將根據模型選擇更多品種，運用二維圖譜指導馬鈴薯設計育種，聚合更多有利基因，培育高產優質的馬鈴薯品種。

中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文研究員為該論文的通訊作者，基因組所博士後吳瑤瑤、博士後李大偉、碩士研究生胡勇為共同第一作者。來自中國、美國、英國、德國等多國專家對該論文提出了重要指導。

該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國農業科學院、廣東省、深圳市及大鵬新區的資助。