2021年6月24日23時,國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表了題為“雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計”的論文,報道了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊在雜交馬鈴薯育種領(lǐng)域的研究成果,這是“優(yōu)薯計劃”實施以來取得的里程碑式突破。
Q 為什么要研究雜交馬鈴薯
馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物,全球有13億人口以馬鈴薯為主食。與其他作物不同,馬鈴薯不靠種子繁殖,而是靠薯塊進行無性繁殖,這也導(dǎo)致了馬鈴薯繁殖系數(shù)低、種植成本高、容易病蟲害等問題。此外,由于馬鈴薯基因組的復(fù)雜性,育種過程很慢,全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。
Q 什么是“優(yōu)薯計劃”
為了徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題,在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下,基因組所黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,即運用“基因組設(shè)計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯,用二倍體育種替代四倍體育種,并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù),是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。
Q 中國科學(xué)家突破了哪些難題
黃三文表示,要實現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種,需克服兩個關(guān)鍵障礙:自交不親和與自交衰退。
自交不親和是指植物自花授粉后不會產(chǎn)生種子的現(xiàn)象。要培育自交系,首先需要解決自交不親和的問題。在前期研究中,黃三文團隊通過基因組編輯技術(shù)敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因(Ye et al., Nature Plants, 2018),篩選到了S-RNase的天然突變體(Zhang et al., Nature Genetics, 2019),并克隆了來自野生種的自交親和基因,徹底解決了自交不親和的問題。
自交衰退是指生物在自交之后出現(xiàn)生理機能的衰退,表現(xiàn)為生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低等。馬鈴薯作為異交作物,在長期的無性繁殖過程中,累積了大量的隱性有害突變,一旦自交之后,有害突變的不良效應(yīng)便會顯現(xiàn)出來,導(dǎo)致自交衰退。與自交不親和由少數(shù)幾個基因控制不同,自交衰退涉及很多基因,也更難克服。
Q 雜交馬鈴薯基因組設(shè)計育種流程是怎樣的
一是用于培育自交系的起始材料的選擇。選擇的標(biāo)準(zhǔn)是起始材料的基因組雜合度較低和有害突變數(shù)目較少;
二是起始材料自交群體的遺傳解析。主要是根據(jù)全基因組偏分離分析和表型評價,確定大效應(yīng)有害等位基因和優(yōu)良等位基因在基因組中的分布;
三是自交系的選育。根據(jù)前景和背景選擇淘汰大效應(yīng)有害突變、聚合優(yōu)良等位基因,尤其是要打破大效應(yīng)有害突變和優(yōu)良等位基因之間的連鎖;
四是雜交種的選育。根據(jù)基因組測序的結(jié)果,選擇基因組互補性較高的自交系進行雜交,獲得雜種優(yōu)勢顯著的雜交種。
Q 目前取得的成果
黃三文團團隊已率先培育出第一代高純合度(>99%)自交系和雜交品系“優(yōu)薯1號”。小區(qū)試驗顯示,“優(yōu)薯1號”的產(chǎn)量接近3噸/畝,具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢,同時還具有干物質(zhì)含量高和類胡蘿卜素含量高的特點,蒸煮品質(zhì)佳。
Q 中外專家怎么看
中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)原校長許智宏:孕育著馬鈴薯育種史的一次革命
國際著名馬鈴薯專家、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)教授Evert Jacobsen:雜交馬鈴薯將實現(xiàn)快速的品種改良
英國皇家學(xué)會會員、塞恩斯伯里實驗室(Sainsbury)教授Sophien Kamoun:在本質(zhì)上徹底改造了馬鈴薯
國際馬鈴薯中心亞太中心主任盧肖平:給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化