馬鈴薯是最重要的塊莖類(lèi)糧食作物，也是我國(guó)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?cè)诳觳偷瓿缘氖項(xiàng)l，其實(shí)全都來(lái)自120年前育成的一個(gè)馬鈴薯品種，背后的重要原因之一馬鈴薯的育種進(jìn)程十分緩慢。

5月4日，國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)胞（Cell）》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種。

該研究發(fā)明了一種新的“進(jìn)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”（科學(xué)家稱(chēng)之為“有害突變”），避免育種“走錯(cuò)路”，讓大家能夠更快吃上更優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)土豆。

(資料圖片)

馬鈴薯雜交育種為何這么難？

傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復(fù)雜，導(dǎo)致育種進(jìn)程十分緩慢。此外，目前馬鈴薯的種植方式是使用薯塊進(jìn)行種植，薯塊易攜帶病蟲(chóng)害，并且運(yùn)輸及儲(chǔ)存成本高。

為解決上述難題，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)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(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)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(lái)的10～12年縮短至3～5年，繁殖系數(shù)提高1000倍，有望引領(lǐng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”。

但要實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個(gè)關(guān)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(chǎn)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(chǎn)量下降等。

為解決這兩個(gè)問(wèn)題，黃三文團(tuán)隊(duì)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(chǔ)，通過(guò)清除大效應(yīng)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(chǎn)生的希爾—羅伯森干涉，會(huì)導(dǎo)致有害突變難以通過(guò)表型來(lái)發(fā)現(xiàn)，難以通過(guò)自交來(lái)淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突變，需要進(jìn)一步剔除。為實(shí)現(xiàn)品種快速改良必須高效剔除有害突變，因此亟需一種準(zhǔn)確鑒定并定量全基因組的有害突變的新技術(shù)。

開(kāi)發(fā)進(jìn)化透鏡，構(gòu)建馬鈴薯有害突變二維圖譜

根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，如今地球上多種多樣的物種是經(jīng)歷了億萬(wàn)年的進(jìn)化而形成的，在進(jìn)化過(guò)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(diǎn)是不會(huì)改變的，它們會(huì)在進(jìn)化過(guò)程中保留在不同物種中，研究人員稱(chēng)這一現(xiàn)象為進(jìn)化約束，把這些位點(diǎn)稱(chēng)為進(jìn)化保守位點(diǎn)。

找到這些高度保守的位點(diǎn)是“優(yōu)薯計(jì)劃”的關(guān)鍵。為此，黃三文團(tuán)隊(duì)收集了大量茄科物種資源，完成了38個(gè)茄科基因組的組裝，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將100個(gè)茄科物種的基因組進(jìn)行比較，這些材料最長(zhǎng)進(jìn)化時(shí)間為8千萬(wàn)年，累計(jì)12億年的進(jìn)化時(shí)間。

研究人員通過(guò)追蹤這段進(jìn)化歷史的突變積累及選擇結(jié)果，開(kāi)發(fā)進(jìn)化透鏡，又稱(chēng)為“歷史透鏡”，即通過(guò)生物體的進(jìn)化歷史快速、有效地鑒定并定量進(jìn)化保守位點(diǎn)。

黃三文介紹，該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)鑒定出1700萬(wàn)個(gè)高度保守的位點(diǎn)，其中36%位于先前被認(rèn)為沒(méi)有功能的非編碼區(qū)域。這些位點(diǎn)在億萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中都很難發(fā)生改變，說(shuō)明它們對(duì)馬鈴薯的生存是極為重要的。如果這些位點(diǎn)發(fā)生了突變，有可能對(duì)馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產(chǎn)量減少等不良影響。

研究人員利用這些保守位點(diǎn)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，將人們對(duì)馬鈴薯基因組的認(rèn)知從一維的線的認(rèn)識(shí)升級(jí)到二維的面的認(rèn)識(shí)。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(yù)測(cè)馬鈴薯產(chǎn)量等表型。

“這項(xiàng)研究基于茄科植物進(jìn)化基因組學(xué)，開(kāi)發(fā)進(jìn)化透鏡技術(shù)，鑒定了馬鈴薯基因組上的有害突變，并將其應(yīng)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(yù)測(cè)效率”，中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前表示，這將實(shí)現(xiàn)雜交馬鈴薯育種的早期決策，加速育種進(jìn)程，通過(guò)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(guò)基因組設(shè)計(jì)創(chuàng)建更多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交馬鈴薯。

反直覺(jué)選擇，“不選壯苗選弱苗”

根據(jù)進(jìn)化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)育種過(guò)程中，育種家使用生長(zhǎng)更加健壯的馬鈴薯作為自交系的起始材料的做法可能會(huì)南轅北轍，可能會(huì)導(dǎo)致在選育過(guò)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(gòu)建。

相反，生長(zhǎng)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(gè)結(jié)果不僅顛覆了以往的認(rèn)知，而且還能夠提早2—3年預(yù)測(cè)馬鈴薯的自交系育種結(jié)果，從而快速創(chuàng)建更多優(yōu)良馬鈴薯自交系。

不僅如此，研究人員利用該圖譜還開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的預(yù)測(cè)模型，首次將有害突變信息整合進(jìn)去，科學(xué)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(yù)測(cè)馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀。

“相比缺少有害突變信息模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度提高了45%；相比隨機(jī)有害突變信息模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(guó)科學(xué)院院士、崖州灣實(shí)驗(yàn)室主任李家洋在點(diǎn)評(píng)該成果時(shí)表示，反直覺(jué)選擇法，可以避免選錯(cuò)材料，將會(huì)指導(dǎo)快速培育自交系。這一研究成果不僅對(duì)馬鈴薯，還將會(huì)對(duì)糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用。

“農(nóng)業(yè)育種離不開(kāi)大數(shù)據(jù)，離不開(kāi)遺傳學(xué)、基因組學(xué)的布局”，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌認(rèn)為，這一成果創(chuàng)新性地應(yīng)用了整個(gè)茄科的比較基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)來(lái)指導(dǎo)馬鈴薯育種，思路新穎，引領(lǐng)了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對(duì)我國(guó)種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

“該研究預(yù)示著作物育種進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)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(gè)更大的進(jìn)化維度思考育種的新策略?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員種康評(píng)價(jià)該成果時(shí)說(shuō)。（光明網(wǎng)記者宋雅娟）