馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物,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。但馬鈴薯的育種進(jìn)程卻十分緩慢,平時(shí)人們?cè)诳觳偷瓿缘氖項(xiàng)l,是來(lái)自120年前育成的一個(gè)馬鈴薯品種。為此,中國(guó)科學(xué)家們提出了“優(yōu)薯計(jì)劃”,目的就是為了讓中國(guó)乃至全世界的人們吃上更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯。
如今,優(yōu)薯計(jì)劃實(shí)現(xiàn)新突破,迎來(lái)了育種新利器。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,這使我國(guó)在馬鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位,進(jìn)入了基因組設(shè)計(jì)育種新時(shí)代。
馬鈴薯育種是世界性難題, 這是因?yàn)轳R鈴薯是四倍體作物,也就是說(shuō)“四套基因組”,遺傳分析很復(fù)雜。再加上,馬鈴薯屬于薯塊繁殖,繁殖系數(shù)僅1:10,相當(dāng)于收獲10個(gè)土豆,人們需要留下一個(gè)作為“種子”,極大地增加了種植成本,并且薯塊運(yùn)輸成本高易感染病蟲(chóng)害?!皟?yōu)薯計(jì)劃”就是要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。
育種實(shí)際中發(fā)現(xiàn),馬鈴薯基因組中大量雜合有害突變,為實(shí)現(xiàn)品種快速改良必須高效剔除有害突變,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)。我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)突破常規(guī)思維,將馬鈴薯育種放置在“進(jìn)化論”這樣廣闊的視野中去研究,進(jìn)而發(fā)明了“進(jìn)化透鏡”技術(shù)。黃三文團(tuán)隊(duì)收集了100份茄科和旋花科的材料(92個(gè)物種),通過(guò)基因組的比較分析,追蹤最長(zhǎng)8千萬(wàn)年、累計(jì)12億年的進(jìn)化痕跡,在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出“進(jìn)化透鏡”,用來(lái)發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進(jìn)化約束及有害突變的點(diǎn)位,繪制了首個(gè)馬鈴薯有害突變二維圖譜。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。
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,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予代的有害突變更少,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的結(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,科學(xué)家可以利用它解讀馬鈴薯的基因,只需要幼苗期的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%?!秉S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)室主任李家洋表示,利用這一研究成果,可以避免選錯(cuò)材料,將會(huì)指導(dǎo)快速培育自交系,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?!敝袊?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說(shuō)。