馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物。長期以來,馬鈴薯的研究和生產(chǎn)以四倍體(由受精卵發(fā)育來的,體細(xì)胞中含有四個(gè)染色體組的物個(gè)體,叫做四倍體)為主要對象,使馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨兩個(gè)結(jié)構(gòu)性障礙。一是四倍體的遺傳非常復(fù)雜,導(dǎo)致馬鈴薯育種周期長,品種更新慢。二是馬鈴薯以薯塊進(jìn)行繁殖,存在繁殖系數(shù)低、儲(chǔ)運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等缺陷。
為了徹底打破產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的障礙,在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的支持下,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員黃三文聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”,即用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”,用二倍體(由受精卵發(fā)育而來,且體細(xì)胞中含有兩個(gè)染色體組的生物個(gè)體,均稱為二倍體)替代四倍體,并用雜交種子替代薯塊,對馬鈴薯的育種和繁殖方式進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。8月13日,研究團(tuán)隊(duì)利用基因組編輯技術(shù)克服了馬鈴薯自交不親和難題,成果在線發(fā)表于《自然?植物(Nature Plants)》雜志上,這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來發(fā)表的首篇重要研究論文。
據(jù)了解,自然界中70%的馬鈴薯種質(zhì)為二倍體,其豐富的遺傳變異為“優(yōu)薯計(jì)劃”的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。但是二倍體馬鈴薯普遍存在自交不親和的現(xiàn)象,限制了自交系的創(chuàng)制。要實(shí)現(xiàn)“優(yōu)薯計(jì)劃”,首先需要解決自交不親和的難題。克服自交不親和的傳統(tǒng)方式是利用來自野生馬鈴薯中的自交不親和抑制基因(S-locus inhibitor, 簡稱Sli),但是Sli基因被導(dǎo)入栽培種后會(huì)產(chǎn)生長匍匐莖、高龍葵素含量等一系列不良的農(nóng)藝性狀,增加了遺傳改良的難度。為了尋找一種更有效的克服自交不親和的方法,該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用基因組編輯技術(shù)解決這一難題。馬鈴薯的自交不親和是由核糖核酸酶基因(S-RNase)控制的,該基因在不同材料中的多態(tài)性非常高,很難通過同源克隆的方法克隆到S-RNase基因的全長。研究人員通過對柱頭轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行從頭拼接,獲得了S-RNase基因的全長序列,并利用基因組編輯技術(shù)對此基因進(jìn)行了定點(diǎn)突變,獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯,并通過自交獲得了不含有外源片段的馬鈴薯新材料。利用該方法獲得的自交親和馬鈴薯新種質(zhì)不含有任何野生基因組片段,可以直接應(yīng)用到育種過程中,為“優(yōu)薯計(jì)劃”的順利實(shí)施提供保障。
英國詹姆斯?赫頓研究所 (The James Hutton Institute) 的馬克?泰勒 (Mark Taylor) 博士認(rèn)為,該研究開辟了二倍體馬鈴薯育種的新途徑,拓展了自交親和馬鈴薯資源,將加速馬鈴薯的遺傳改良。雖然目前二倍體馬鈴薯的產(chǎn)量低于四倍體,但是沒有證據(jù)表明二倍體一定比四倍體差,而且利用基因組編輯技術(shù)解決自交不親和的問題也間接證明了在二倍體水平上進(jìn)行的遺傳改良將更加快速和高效。