北京時間2021年6月24日晚23時,《細(xì)胞》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所(以下稱“基因組所”)黃三文團(tuán)隊(duì)完成的論文——“雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計(jì)”,這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來取得的里程碑式突破。
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。與谷物類糧食作物不同,栽培馬鈴薯是依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種。
由于四倍體遺傳的復(fù)雜性,馬鈴薯的遺傳改良進(jìn)程緩慢,一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。
馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的另外一個挑戰(zhàn)是薯塊的繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害。
為了徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題,黃三文團(tuán)隊(duì)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(jì)劃”,即運(yùn)用“基因組設(shè)計(jì)”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。
黃三文告訴《中國科學(xué)報(bào)》,要實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jī)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。
前期,黃三文團(tuán)隊(duì)對馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)解析。他們發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致自交衰退的有害突變鑲嵌分布在馬鈴薯的兩套基因組中,無法通過重組將它們徹底淘汰(Zhou et al., Nature Genetics , 2020)。
但是,不同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性,可以通過對遺傳背景差異大的自交系進(jìn)行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應(yīng)(Zhang et al., Nature Genetics , 2019)。這些研究表明,基于表型選擇的育種策略,難以克服自交衰退的問題,必須借助于基因組大數(shù)據(jù)開展設(shè)計(jì)育種,才能有效地淘汰有害突變。
論文第一作者、基因組所研究員張春芝告訴《中國科學(xué)報(bào)》,在此基礎(chǔ)之上,他們借助在基因組學(xué)研究方面的優(yōu)勢,利用基因組大數(shù)據(jù)進(jìn)行育種決策,建立了雜交馬鈴薯基因組設(shè)計(jì)育種流程,主要包括四個環(huán)節(jié):
?。?)選擇用于培育自交系的起始材料,選擇標(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;
(2)對起始材料自交群體進(jìn)行遺傳解析,根據(jù)全基因組偏分離分析和表型評價(jià),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;
?。?)選育自交系,根據(jù)前景和背景選擇淘汰大效應(yīng)的有害突變,并聚合優(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;
(4)選育雜交種,根據(jù)基因組測序結(jié)果,選擇基因組互補(bǔ)性較高的自交系進(jìn)行雜交,獲得雜種優(yōu)勢顯著的雜交種。
利用上述流程,該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)培育出了第一代高純合度(>99%)二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。
小區(qū)試驗(yàn)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,“優(yōu)薯1號”具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點(diǎn),蒸煮品質(zhì)佳。
“優(yōu)薯1號”的成功選育證明了雜交馬鈴薯育種的可行性,使馬鈴薯遺傳改良進(jìn)入了快速迭代的軌道。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006
《中國科學(xué)報(bào)》就此成果采訪了國內(nèi)外專家,以饗讀者。
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
《中國科學(xué)報(bào)》:馬鈴薯作為一種薯類糧食作物,在我國糧食生產(chǎn)中的地位如何?和水稻小麥玉米等主糧作物相比,馬鈴薯的育種進(jìn)展比較緩慢,這是什么原因造成的?
許智宏:馬鈴薯因其高產(chǎn)而且營養(yǎng)豐富,又適于加工成各種不同的產(chǎn)品,已成為我國第四大糧食作物。但和水稻、小麥和玉米等主糧作物相比,馬鈴薯的育種進(jìn)展比較緩慢。原因是栽培馬鈴薯是依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種。四倍體馬鈴薯基因組高度雜合,這給遺傳分析帶來不少困難,而且還有很多有害突變隱藏在四套基因組中,很難通過遺傳重組進(jìn)行淘汰,這是馬鈴薯育種進(jìn)展緩慢的主要原因。
《中國科學(xué)報(bào)》:雜交馬鈴薯育種技術(shù)的出現(xiàn)對馬鈴薯品種的改良會產(chǎn)生什么影響?
許智宏:以前在四倍體水平上進(jìn)行的馬鈴薯育種,每一次雜交都是對四套基因組的重排,育種結(jié)果不可預(yù)測。
現(xiàn)在利用雜交馬鈴薯育種體系,育種家可以利用現(xiàn)代育種技術(shù)在已有自交系的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向改良,選擇配制最佳的組合,用雜交一代種子繁殖馬鈴薯,也避免原代種薯感染病毒,使馬鈴薯育種進(jìn)入快速迭代的時代。
這一工作孕育著馬鈴薯育種歷史上的一次革命!
《中國科學(xué)報(bào)》:在這項(xiàng)工作中,采用了基因組設(shè)計(jì)育種。您認(rèn)為基因組設(shè)計(jì)對農(nóng)作物育種有什么影響?
許智宏:基因組是一個物種遺傳信息的載體。有了基因組數(shù)據(jù)的幫助,科學(xué)家可以前所未有的速度解析一個物種基因組所隱藏的各種信息。
在農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域,基因組測序一方面幫助科研人員挖掘了大量的控制各種農(nóng)藝性狀的基因,為作物改良提供靶點(diǎn);另一方面也產(chǎn)生了很多新的育種技術(shù),如背景選擇、基因組預(yù)測等,結(jié)合一些先進(jìn)的基因操作技術(shù),加快了育種速度。這也奠定了當(dāng)前科學(xué)家提出人工分子設(shè)計(jì)育種(或精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種)的基礎(chǔ)。
《中國科學(xué)報(bào)》:從目前雜交馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)來看,馬鈴薯雜交種子真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有哪些問題要解決?大概還需要多長時間?
許智宏:據(jù)我所知,目前第一代二倍體馬鈴薯雜交種的產(chǎn)量和品質(zhì)還是不錯的,如果要產(chǎn)業(yè)化的話,還需要解決一些生產(chǎn)上的問題,比如大規(guī)模雜交制種、種子育苗移栽等。時間上不光要考慮科研人員的進(jìn)展,還要考慮到種植者的接受程度,我覺得5到10年可能是一個比較合理的預(yù)期。
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(shí)現(xiàn)快速的品種改良
《中國科學(xué)報(bào)》:馬鈴薯用種子繁殖將會帶來什么益處?為什么科學(xué)家會關(guān)注馬鈴薯的雜交種子問題?
Jacobsen:來自馬鈴薯品種的營養(yǎng)繁殖的塊莖必須首先在田間擴(kuò)繁。起始材料是健康的薯塊。擴(kuò)繁過程中最大的風(fēng)險(xiǎn)之一是病毒感染。因此最好是在無毒條件下繁殖種薯。這些地方并不容易找到。整個繁殖系統(tǒng)的基礎(chǔ)是將病毒感染保持在低水平。
另一個缺點(diǎn)是種薯在其他地方繁殖,而不是在商品薯的種植地。因此,通過陸運(yùn)或者海運(yùn)運(yùn)輸大量種薯需要花費(fèi)大量時間、金錢和精力。
F1雜交馬鈴薯品種的種子很小,可以直接郵寄。馬鈴薯中幾乎所有的病毒病都不是通過種子傳播的,這是一個主要優(yōu)勢。
不過,二倍體 F1 雜交品種的一個重要問題是,與四倍體相比,二倍體對不同環(huán)境情況的適應(yīng)能力可能會降低。不久的將來可以確認(rèn)這種擔(dān)憂是否存在。
《中國科學(xué)報(bào)》: Cell 雜志這次發(fā)表的論文,您認(rèn)為對于科學(xué)界和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)界來說,分別有什么意義?
Jacobsen: Cell 論文很重要,因?yàn)樗C明可以快速獲得不同二倍體馬鈴薯品系的高度純合性。許多有害等位基因可以通過分子選擇快速去除,并且可以選育到和經(jīng)典品種產(chǎn)量差不多的F1雜種優(yōu)勢組合。
下一步是開發(fā)更多具有重要性狀的自交系,并通過漸滲抗逆或者品質(zhì)相關(guān)的基因來改良現(xiàn)有自交系。這意味著可以通過基因漸滲育種對現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)F1雜交種進(jìn)行更多農(nóng)藝性狀的改良。
英國皇家學(xué)會會員、塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室(Sainsbury)教授Sophien Kamoun:
在本質(zhì)上徹底改造了馬鈴薯
《中國科學(xué)報(bào)》:您如何評價(jià)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)家對雜交馬鈴薯育種這項(xiàng)成果?
Kamoun:黃三文研究員及其團(tuán)隊(duì)的工作在本質(zhì)上徹底改造了馬鈴薯。他們幾乎是從零開始重新改造了這個作物。他們利用以前生產(chǎn)上很少用到的一些品種,將它們進(jìn)行雜交,重新創(chuàng)造了馬鈴薯。
他們之所以能做到是因?yàn)樗麄冋莆樟嘶蚪M學(xué)最前沿的進(jìn)展,這使得他們可以用很低的成本但是非常高效地淘汰馬鈴薯的有害突變。該研究在通過對馬鈴薯進(jìn)行快速且低成本的基因組測序以清除有害突變方面做得非常出色。
這項(xiàng)研究改變了馬鈴薯育種的游戲規(guī)則。我對此感到非常興奮。
《中國科學(xué)報(bào)》:目前馬鈴薯晚疫病是全世界馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的頑疾,您認(rèn)為未來解決馬鈴薯晚疫病問題的出路在哪里?雜交馬鈴薯種子的出現(xiàn)是否能為此提供一個新路徑?
Kamoun:確實(shí),馬鈴薯晚疫病是一種非常具有破壞性的病害。培育抗病品種是一種可持續(xù)的解決方案。我們的夢想是將馬鈴薯變成這種疾病的非宿主。雜交馬鈴薯技術(shù)將通過加速抗性品種的傳統(tǒng)育種或通過生物技術(shù)方法引入晚疫病抗性基因來促進(jìn)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這兩種方法都受益于雜交馬鈴薯技術(shù)。
另一種看待這個問題的角度是將馬鈴薯晚疫病抗性基因的利用看作是“疫苗接種”。本質(zhì)上,我們已經(jīng)有了疫苗(抗病基因),但將它們輸送到馬鈴薯中很復(fù)雜。雜交馬鈴薯技術(shù)可以極大地加快抗病基因的輸入,因?yàn)樗峁┝艘环N全新的育種方法。
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
《中國科學(xué)報(bào)》:國際馬鈴薯中心為什么要關(guān)注和參與馬鈴薯雜交種子的研究?
盧肖平:作為一個全球性的研發(fā)機(jī)構(gòu),國際馬鈴薯中心是國際農(nóng)業(yè)磋商組織的成員之一。我們一直在關(guān)注新技術(shù)的突破及其在研發(fā)和生產(chǎn)中的利用情況。水稻等農(nóng)作物在采用雜交技術(shù)后使得產(chǎn)量大規(guī)模增長。這讓我們思考,馬鈴薯育種中能不能利用類似技術(shù)提高產(chǎn)量,同時提高品質(zhì)適應(yīng)市場的多元化需求。這在以前是很難實(shí)現(xiàn)的。
《中國科學(xué)報(bào)》:雜交種子在實(shí)驗(yàn)田的完成對于產(chǎn)業(yè)界將會產(chǎn)生什么影響?未來何時可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?還有哪些問題需要解決?
盧肖平:馬鈴薯雜交種子的大規(guī)模應(yīng)用將可能會給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來一場革命性的變化。
現(xiàn)在馬鈴薯生產(chǎn)依靠種薯,運(yùn)輸和儲藏成本很大。改為種子繁殖的話,這部分成本會大大削減,并給產(chǎn)業(yè)界帶來很多便利。
用種子播種的生產(chǎn)方式進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),也會對馬鈴薯的生長季長短產(chǎn)生影響和變化,進(jìn)而影響和其他作物的接茬連作種植方式。這將可能導(dǎo)致整個作物的布局和耕作方式的變化,所以我將其稱之為“革命性”變化。
就我了解到的情況,科技界和產(chǎn)業(yè)界面對新技術(shù)都還是充滿期待的,但肯定需要有一個適應(yīng)、接納進(jìn)而可持續(xù)發(fā)展的過程,這一路不會簡單。