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马铃薯育种有了“火眼金睛”

时间：2023-05-05 08:37:01 来源: 光明网

马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，也是我国第四大主粮作物，全球有13亿人以马铃薯为主食。但你可能不知道的是，我们在快餐店吃的薯条，其实全都来自120年前育成的一个马铃薯品种，背后的重要原因之一马铃薯的育种进程十分缓慢。


(资料图)

5月4日，国际权威期刊《细胞（Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队的最新研究成果：利用进化基因组学鉴定有害突变进而指导杂交马铃薯育种。

该研究发明了一种新的“进化透镜”技术，给育种家一双“火眼金睛”，能够及早发现出阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”（科学家称之为“有害突变”），避免育种“走错路”，让大家能够更快吃上更优质的高产土豆。

马铃薯杂交育种为何这么难？

传统栽培马铃薯是同源四倍体，基因组复杂，导致育种进程十分缓慢。此外，目前马铃薯的种植方式是使用薯块进行种植，薯块易携带病虫害，并且运输及储存成本高。

为解决上述难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，目的就是用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。将马铃薯的育种周期由原来的10～12年缩短至3～5年，繁殖系数提高1000倍，有望引领马铃薯产业的“绿色革命”。

但要实现二倍体杂交马铃薯育种，需克服两个关键障碍：自交不亲和和自交衰退，前者是指植物自花授粉后不能产生成熟种子，后者则指的是自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降等。

为解决这两个问题，黄三文团队先后解析了马铃薯单倍体、二倍体及四倍体基因组和泛基因组，打破了自交不亲和，初步解析了自交衰退的遗传基础，通过清除大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种。

尽管如此，马铃薯基因组中大量杂合有害突变、排斥相连锁产生的希尔—罗伯森干涉，会导致有害突变难以通过表型来发现，难以通过自交来淘汰；已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突变，需要进一步剔除。为实现品种快速改良必须高效剔除有害突变，因此亟需一种准确鉴定并定量全基因组的有害突变的新技术。

开发进化透镜，构建马铃薯有害突变二维图谱

根据达尔文的进化论，如今地球上多种多样的物种是经历了亿万年的进化而形成的，在进化过程中物种的基因组并不是一成不变的。

但是，一些具有重要功能的位点是不会改变的，它们会在进化过程中保留在不同物种中，研究人员称这一现象为进化约束，把这些位点称为进化保守位点。

找到这些高度保守的位点是“优薯计划”的关键。为此，黄三文团队收集了大量茄科物种资源，完成了38个茄科基因组的组装，并利用大数据技术，将100个茄科物种的基因组进行比较，这些材料最长进化时间为8千万年，累计12亿年的进化时间。

研究人员通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果，开发进化透镜，又称为“历史透镜”，即通过生物体的进化历史快速、有效地鉴定并定量进化保守位点。

黄三文介绍，该团队利用该技术鉴定出1700万个高度保守的位点，其中36%位于先前被认为没有功能的非编码区域。这些位点在亿万年的进化过程中都很难发生改变，说明它们对马铃薯的生存是极为重要的。如果这些位点发生了突变，有可能对马铃薯造成繁殖力下降、生活力降低、产量减少等不良影响。

研究人员利用这些保守位点信息，结合马铃薯群体的信息，构建了马铃薯有害突变二维图谱，将人们对马铃薯基因组的认知从一维的线的认识升级到二维的面的认识。有了图谱，马铃薯育种家就可以精确剔除马铃薯中有害突变，筛选好的育种材料，预测马铃薯产量等表型。

“这项研究基于茄科植物进化基因组学，开发进化透镜技术，鉴定了马铃薯基因组上的有害突变，并将其应用到解决马铃薯育种难题中，大幅地提高马铃薯全基因组预测效率”，中国科学院院士钱前表示，这将实现杂交马铃薯育种的早期决策，加速育种进程，通过剔除有害变异和聚合有益变异的策略，有望在短期内通过基因组设计创建更多高产优质杂交马铃薯。

反直觉选择，“不选壮苗选弱苗”

根据进化透镜解析马铃薯的有害突变二维图谱，科学家们发现传统育种过程中，育种家使用生长更加健壮的马铃薯作为自交系的起始材料的做法可能会南辕北辙，可能会导致在选育过程中子代从父母本中获得更多有害突变反而不利于马铃薯的自交系构建。

相反，生长较弱的马铃薯遗传给子代的有害突变更少，后期的自交育种成功率更大。这个结果不仅颠覆了以往的认知，而且还能够提早2—3年预测马铃薯的自交系育种结果，从而快速创建更多优良马铃薯自交系。

不仅如此，研究人员利用该图谱还开发了一个新的预测模型，首次将有害突变信息整合进去，科学家可以利用它解读马铃薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前预测马铃薯育种材料的产量、株高、薯块等性状。

“相比缺少有害突变信息模型，预测准确度提高了45%；相比随机有害突变信息模型，预测准确度提高了25%”，黄三文表示，这将更好地帮助育种家制定早期育种决策，缩短马铃薯育种周期。

中国科学院院士、崖州湾实验室主任李家洋在点评该成果时表示，反直觉选择法，可以避免选错材料，将会指导快速培育自交系。这一研究成果不仅对马铃薯，还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。

“农业育种离不开大数据，离不开遗传学、基因组学的布局”，中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌认为，这一成果创新性地应用了整个茄科的比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种，思路新颖，引领了世界马铃薯遗传育种研究，对我国种业技术创新具有重要意义。

“该研究预示着作物育种进入一个新的时代，即育种家们不能仅仅关注自己的‘一亩三分地’，更需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。”中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康评价该成果时说。（光明网记者宋雅娟）

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