馬鈴薯育種的“火眼金睛”

　　馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國第四大主糧作物，全球有13億人以馬鈴薯為主食。但你可能不知道的是，我們在快餐店吃的薯條，其實全都來自120年前育成的一個馬鈴薯品種，背后的重要原因之一馬鈴薯的育種進程十分緩慢。

　　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：利用進化基因組學鑒定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種。

　　馬鈴薯育種有了“火眼金睛”

　　該研究發明了一種新的“進化透鏡”技術，給育種家一雙“火眼金睛”，能夠及早發現出阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”（科學家稱之為“有害突變”），避免育種“走錯路”，讓大家能夠更快吃上更優質的高產土豆。

　　馬鈴薯雜交育種為何這么難？

　　傳統栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，導致育種進程十分緩慢。此外，目前馬鈴薯的種植方式是使用薯塊進行種植，薯塊易攜帶病蟲害，并且運輸及儲存成本高。

　　為解決上述難題，黃三文團隊聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”，目的就是用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。將馬鈴薯的育種周期由原來的10～12年縮短至3～5年，繁殖系數提高1000倍，有望引領馬鈴薯產業的“綠色革命”。

　　但要實現二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個關鍵障礙：自交不親和和自交衰退，前者是指植物自花授粉后不能產生成熟種子，后者則指的是自交或近交造成繁殖力、生活力及產量下降等。

　　馬鈴薯育種有了“火眼金睛”

　　為解決這兩個問題，黃三文團隊先后解析了馬鈴薯單倍體、二倍體及四倍體基因組和泛基因組，打破了自交不親和，初步解析了自交衰退的遺傳基礎，通過清除大效應有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種。

　　盡管如此，馬鈴薯基因組中大量雜合有害突變、排斥相連鎖產生的希爾—羅伯森干涉，會導致有害突變難以通過表型來發現，難以通過自交來淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突變，需要進一步剔除。為實現品種快速改良必須高效剔除有害突變，因此亟需一種準確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術。

　　開發進化透鏡，構建馬鈴薯有害突變二維圖譜

　　根據達爾文的進化論，如今地球上多種多樣的物種是經歷了億萬年的進化而形成的，在進化過程中物種的基因組并不是一成不變的。

　　但是，一些具有重要功能的位點是不會改變的，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，把這些位點稱為進化保守位點。

　　找到這些高度保守的位點是“優薯計劃”的關鍵。為此，黃三文團隊收集了大量茄科物種資源，完成了38個茄科基因組的組裝，并利用大數據技術，將100個茄科物種的基因組進行比較，這些材料最長進化時間為8千萬年，累計12億年的進化時間。

　　馬鈴薯育種有了“火眼金睛”

　　研究人員通過追蹤這段進化歷史的突變積累及選擇結果，開發進化透鏡，又稱為“歷史透鏡”，即通過生物體的進化歷史快速、有效地鑒定并定量進化保守位點。

　　黃三文介紹，該團隊利用該技術鑒定出1700萬個高度保守的位點，其中36%位于先前被認為沒有功能的非編碼區域。這些位點在億萬年的進化過程中都很難發生改變，說明它們對馬鈴薯的生存是極為重要的。如果這些位點發生了突變，有可能對馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產量減少等不良影響。

　　研究人員利用這些保守位點信息，結合馬鈴薯群體的信息，構建了馬鈴薯有害突變二維圖譜，將人們對馬鈴薯基因組的認知從一維的線的認識升級到二維的面的認識。有了圖譜，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中有害突變，篩選好的育種材料，預測馬鈴薯產量等表型。

　　“這項研究基于茄科植物進化基因組學，開發進化透鏡技術，鑒定了馬鈴薯基因組上的有害突變，并將其應用到解決馬鈴薯育種難題中，大幅地提高馬鈴薯全基因組預測效率”，中國科學院院士錢前表示，這將實現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，有望在短期內通過基因組設計創建更多高產優質雜交馬鈴薯。

　　反直覺選擇，“不選壯苗選弱苗”

　　根據進化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學家們發現傳統育種過程中，育種家使用生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系的起始材料的做法可能會南轅北轍，可能會導致在選育過程中子代從父母本中獲得更多有害突變反而不利于馬鈴薯的自交系構建。

　　相反，生長較弱的馬鈴薯遺傳給子代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。這個結果不僅顛覆了以往的認知，而且還能夠提早2—3年預測馬鈴薯的自交系育種結果，從而快速創建更多優良馬鈴薯自交系。

　　不僅如此，研究人員利用該圖譜還開發了一個新的預測模型，首次將有害突變信息整合進去，科學家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，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。

　　“相比缺少有害突變信息模型，預測準確度提高了45%；相比隨機有害突變信息模型，預測準確度提高了25%”，黃三文表示，這將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。

　　中國科學院院士、崖州灣實驗室主任李家洋在點評該成果時表示，反直覺選擇法，可以避免選錯材料，將會指導快速培育自交系。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。

　　“農業育種離不開大數據，離不開遺傳學、基因組學的布局”，中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌認為，這一成果創新性地應用了整個茄科的比較基因組學與進化生物學來指導馬鈴薯育種，思路新穎，引領了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對我國種業技術創新具有重要意義。

　　“該研究預示著作物育種進入一個新的時代，即育種家們不能僅僅關注自己的‘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。”中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康評價該成果時說。