土豆也能用种子种?我国科学家研发的基因组设计马铃薯问世!

马铃薯,俗称“土豆”,是世界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。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……中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队最新研究成果一举颠覆了这一现象,即应用“基因组设计”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。

这一马铃薯育种和繁殖的新底层技术,北京时间6月24日23时在线发表于国际顶级学术期刊《细胞(Cell)》,这是“优薯计划”实施以来取得的里程碑式突破。

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第一代二倍体马铃薯杂交种具有显著的杂种优势。中国农科院基因组所供图

据《杂交马铃薯的基因组设计》论文的第一作者,中国农科院深圳基因组所研究员张春芝介绍,与谷物类粮食作物不同,普通栽培马铃薯是依靠薯块进行无性繁殖的同源四倍体物种,但由于四倍体遗传的复杂性,致使马铃薯的遗传改良进程缓慢,一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植。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。

目前,二倍体育种已经成为全球马铃薯研究领域热点,荷兰、中国和美国等国科学家纷纷呼吁开展二倍体的研究和育种工作。但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。

张春芝解释,自交不亲和是指植物自花授粉后不会产生种子的现象。要培育自交系,首先需要解决自交不亲和问题。在前期研究中,黄三文团队通过基因组编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因,筛选到了S-RNase的天然突变体,并克隆了来自野生种的自交亲和基因,彻底解决了自交不亲和问题。

“自交衰退则是指生物在自交之后出现生理机能的衰退,表现为生活力下降、抗性减弱、产量降低等”。张春芝表示,马铃薯作为异交作物,在长期的无性繁殖过程中,累积了大量的隐性有害突变,一旦自交之后,有害突变的不良效应便会显现出来,导致自交衰退。与自交不亲和由少数几个基因控制不同,自交衰退涉及很多基因,也更难克服。荷兰科学家在2011年就公布了杂交马铃薯的进展,但是10年之后仍然面临自交系纯度较低的问题,限制了大规模商业化推广,“主要就是因为无法克服自交衰退的问题”。

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来源:论文插图

黄三文团队前期对马铃薯自交衰退的遗传基础进行了系统解析。研究发现,导致自交衰退的有害突变镶嵌分布在马铃薯的两套基因组中,无法通过重组将它们彻底淘汰。但是,不同马铃薯中的有害突变具有个体差异性,可以通过对遗传背景差异大的自交系进行杂交来掩盖杂交种中有害突变的效应。这些研究表明,基于表型选择的育种策略,难以克服自交衰退的问题,必须借助基因组大数据开展设计育种,才能有效地淘汰有害突变。

在此基础之上,黄三文团队凭借基因组学研究方面的优势,利用基因组大数据进行育种决策,建立了杂交马铃薯基因组设计育种“四步法”流程:

第一步,用于培育自交系的起始材料的选择,选择标准是起始材料的基因组杂合度较低和有害突变数目较少;

第二步,起始材料自交群体的遗传解析,主要是根据全基因组偏分离分析和表型评价,确定大效应有害等位基因和优良等位基因在基因组中的分布;

第三步,自交系的选育,根据前景和背景选择淘汰大效应的有害突变,并聚合优良等位基因,尤其是要打破大效应有害突变和优良等位基因之间的连锁;

最后一步,杂交种的选育,根据基因组测序的结果,选择基因组互补性比较高的自交系进行杂交,获得杂种优势显著的杂交种。

**通过“四步法”,该团队已经培育出第一代高纯合度(>99%)二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。**小区试验显示“优薯1号”产量接近3吨/亩,具有显著的产量杂种优势。同时,“优薯1号”具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量特点,蒸煮品质佳。

“优薯1号”的成功选育证明了杂交马铃薯育种的可行性,使马铃薯遗传改良进入了快速迭代的轨道。2020年11月8日,已故“杂交水稻之父”袁隆平院士在听取该项研究介绍之后,题词评价:“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新,将带来马铃薯的绿色革命”。

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本文由生化环材摘编自《科技日报》微信公众号,原标题《土豆能用种子种?第一代基因组设计杂交马铃薯问世!》,作者为科技日报记者瞿剑。生化环材对本文进行摘编目的是普及科学知识。如有版权相关问题请留言。