第一代基因组设计的杂交马铃薯问世

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物，全球有13亿人口以马铃薯为主食，是全球第三大主粮，也是中国的第四大主粮。但是千百年来，它的生产都依靠薯块进行无性繁殖，导致繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害。近年来，我国科学家们正在开展一项“优薯计划”来改变这一状况。中国农业科学院深圳农业基因组研究所（简称基因组所）黄三文团队最新研究成果实现了颠覆性创新，第一代基因组设计的杂交马铃薯问世，用二倍体育种替代四倍体育种，用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。2021年6月24日，国际学术期刊《细胞》在线发表了题为“Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）”的研究成果，标志着“优薯计划”实施以来取得了里程碑式突破。

与其他粮食作物不同，马铃薯是进行无性繁殖的同源四倍体物种。马铃薯遗传的复杂性，导致育种过程非常缓慢，全世界还有上百年的老品种仍在大面积种植。比如，美国的薯条加工型品种Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美国的第一大品种。中国栽培面积最大的品种克新1号是1958年育成的，至今已经种植了60多年。此外，马铃薯不靠种子繁殖，而是靠薯块进行无性繁殖，也导致了产业面临着更多难题。为了彻底解决马铃薯产业面临的问题，在农业农村部、中国农业科学院和深圳市的支持下，基因组所黄三文研究员联合云南师范大学等国内外优势单位发起了“优薯计划”，即运用“基因组设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。这是马铃薯育种和繁殖的新底层技术，是对马铃薯产业的颠覆性创新。

二倍体育种已经成为全球马铃薯界的研究热点，各国科学家纷纷呼吁开展二倍体的研究和育种工作。基因组所所长黄三文研究员告诉记者，要实现二倍体杂交马铃薯育种，需克服两个关键障碍：自交不亲和与自交衰退。黄三文说：“马铃薯自交不亲和，也就是马铃薯自花授粉后不会产生种子的问题。我们通过材料筛选和基因编辑，彻底解决了马铃薯靠种子自身繁育的问题。同时我们又发现了导致植株长势弱、产量降低等表现的有害突变位点。通过‘基因组设计’，淘汰有害突变、聚合优良基因，最终解决了自交衰退的问题，选育出具有显著杂种优势的优薯1号品系。”

利用上述流程，该团队已经培育出了第一代高纯合度（＞99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系优薯1号。小区试验显示优薯1号每667 m2的产量接近3 t，具有显著的产量杂种优势。以前种植马铃薯每667 m2需要200 kg种薯，而现在用种子只需要2 g，种植成本大大降低。同时，优薯1号具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点，蒸煮品质佳。

优薯1号选育的成功，证明了杂交马铃薯育种的体系是可行的，预示着马铃薯育种即将进入一个快速迭代的过程。据介绍，目前优薯1号的抗病性还较差，但利用杂交育种技术可以实现品种的快速迭代，在较短时间内提高优薯1号的抗病性。下一步，科研团队还将加强大规模杂交制种、种子育苗移栽等技术研发，为马铃薯种子的产业化推广做准备。