云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院

1 研究的背景和意義

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是一年生茄科茄屬作物，因其具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富、糧菜兼用、綜合加工用途廣泛等特性，成為世界上僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物，廣泛分布在148個(gè)國(guó)家和地區(qū)，也是13億多人口的主糧。我國(guó)的馬鈴薯栽培始于16世紀(jì)末至17世紀(jì)初，現(xiàn)已成為世界上第一大馬鈴薯生產(chǎn)國(guó)。2020年，我國(guó)馬鈴薯種植面積約486.67萬(wàn)公頃、產(chǎn)量近1億噸，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。馬鈴薯不僅是我國(guó)重要的糧食作物，也是全國(guó)大宗蔬菜和牲畜飼料的重要加工原料，有效緩解了國(guó)家糧食安全壓力。云南是我國(guó)傳統(tǒng)的馬鈴薯生產(chǎn)大省，種植面積達(dá)60多萬(wàn)公頃。馬鈴薯產(chǎn)業(yè)是云南省最具代表性的高原特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一。

馬鈴薯中存在著二倍體、四倍體等不同倍性材料。傳統(tǒng)馬鈴薯育種以四倍體馬鈴薯為主，具備產(chǎn)量潛力高、種植體系較為完善等優(yōu)點(diǎn)?！笆濉逼陂g，我國(guó)自主選育新品種227個(gè)，品種結(jié)構(gòu)不斷豐富，早熟和鮮食加工兼用品種占比增加、薯塊外觀品質(zhì)作為改善。雖然四倍體馬鈴薯育種取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但四倍體馬鈴薯育種存在薯塊繁殖系數(shù)低、儲(chǔ)運(yùn)成本高、易攜帶病蟲(chóng)害等系統(tǒng)性問(wèn)題，導(dǎo)致目前我國(guó)馬鈴薯單產(chǎn)水平仍然較低、優(yōu)異種質(zhì)資源不足，遺傳效應(yīng)難以累積，資源引進(jìn)、精準(zhǔn)鑒定、評(píng)價(jià)和共享困難，品種專用性不強(qiáng)等問(wèn)題。

二倍體馬鈴薯占馬鈴薯遺傳資源70%以上，充分利用遺傳變異更為豐富的二倍體馬鈴薯種質(zhì)(圖1)，開(kāi)展二倍體馬鈴薯實(shí)生種雜交育種是馬鈴薯基礎(chǔ)與應(yīng)用研究領(lǐng)域的重大變化。用二倍體馬鈴薯雜交育種替代傳統(tǒng)育種，可大幅縮短育種周期，加快品種(鮮食型/加工型/飼用型)及相關(guān)加工產(chǎn)品迭代速度；采用雜交馬鈴薯種苗播種，每公頃地僅需45-75克種苗就可以替代2 250-3 000千克的種薯，種苗的繁殖系數(shù)是薯塊的1 000倍，可為我國(guó)節(jié)約上百萬(wàn)畝的種薯用地，并且種苗基本不攜帶病蟲(chóng)害，也可避免病蟲(chóng)害的發(fā)生頻率和跨地區(qū)傳播。

圖1 遺傳變異豐富的二倍體馬鈴薯種質(zhì)資源材料

2019年，《科學(xué)》(Science)期刊在封面發(fā)布“The new potato”，認(rèn)為二倍體雜交馬鈴薯有可能帶來(lái)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色生命” (圖2)。鑒于二倍體雜交馬鈴薯巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，全球最大的馬鈴薯種薯公司HZPC、德國(guó)種業(yè)巨頭KWS聯(lián)合美國(guó)食品巨頭Simplot、荷蘭新興育種公司Solynta以及美國(guó)威斯康星大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)和育種公司紛紛投入巨資，啟動(dòng)二倍體雜交馬鈴薯科技攻關(guān)，搶占二倍體馬鈴薯雜交育種這個(gè)生物育種高地。

圖2 二倍體馬鈴薯雜交育種計(jì)劃是新的馬鈴薯育種方向

2 研究?jī)?nèi)容及發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

2017年，時(shí)任中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所所長(zhǎng)黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“研究院”）等國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起“優(yōu)薯計(jì)劃”，加入二倍體雜交馬鈴薯研發(fā)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中(圖3)。

圖3 中方團(tuán)隊(duì)與來(lái)自歐洲、北美洲的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展激烈的競(jìng)爭(zhēng)

在國(guó)家集中力量辦大事的體制優(yōu)勢(shì)下，中國(guó)團(tuán)隊(duì)雖然起步較晚，但卻率先取得重大突破。先后克隆了二倍體馬鈴薯自交不親和、自交衰退基因，破解了培育二倍體馬鈴薯自交系的秘密。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)率先培育出二倍體雜交馬鈴薯“優(yōu)薯1號(hào)”。相關(guān)成果以研究院為第一完成單位發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·植物》(Nature Plants, 2018)、《自然·遺傳》(Nature Genetics, 2019)和《自然·通訊》(Nature Communications, 2021)；以研究院為第一單位發(fā)表在《細(xì)胞》(Cell, 2021)、《分子植物》(Molecular Plant,2022)；入選了中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)評(píng)選的《2021中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新技術(shù)新產(chǎn)品新裝備》。相關(guān)發(fā)現(xiàn)如下：

一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。在馬鈴薯、番茄等茄科植物中，自交親和性與植物攜帶的SLF (S-locus Fox)蛋白和S-RNase (S-ribonucleases)酶類型密不可分。S-RNase酶是一種細(xì)胞毒性蛋白，僅在花柱中特異表達(dá)并被分泌到花柱傳導(dǎo)組織，是花粉進(jìn)入雌蕊的“鎖”；SLF蛋白僅在花粉中特異表達(dá)，它們像一把“鑰匙”，雖然不能識(shí)別自身的“門鎖”，卻能識(shí)別其他材料攜帶的“門鎖”，進(jìn)而通過(guò)26S蛋白酶把“門鎖”降解，保證了雜交親和。團(tuán)隊(duì)利用兩種策略解決馬鈴薯自交不親和難題。首先創(chuàng)新性地利用基因組編輯技術(shù)對(duì)S-RNase進(jìn)行了定點(diǎn)突變，破壞阻礙花粉進(jìn)入雌蕊的“鎖”，從而獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯新種質(zhì)材料。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·植物》(Nature Plants, 2018)，獲《自然·植物》(Nature Plants)專評(píng) “開(kāi)辟了二倍體馬鈴薯育種新路徑”和F1000推薦。另一方面，團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始尋找可以開(kāi)“鎖”的“鑰匙”。1998年，日本科學(xué)家首次報(bào)道了抑制馬鈴薯自交不親和的Sli位點(diǎn)，但由于馬鈴薯自交親和表型易受外界環(huán)境干擾，該基因一直未被克隆。團(tuán)隊(duì)巧妙利用含有Sli位點(diǎn)的植株自交后代出現(xiàn)偏分離現(xiàn)象，最終從花粉RNA中克隆了Sli基因。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Sli蛋白像一把“萬(wàn)能鑰匙”，可被廣泛應(yīng)用于打破二倍體馬鈴薯的自交不親和性，在創(chuàng)制二倍體馬鈴薯自交系中具有重要的作用(圖4)。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications, 2021)，被編輯選為當(dāng)期亮點(diǎn)論文，并獲F1000推薦“該基因?qū)︸R鈴薯雜交育種非常重要”。

圖4 Sli基因是打破二倍體馬鈴薯自交不親和的“萬(wàn)能鑰匙”

二是與其他谷物類糧食作物不同，馬鈴薯是依靠薯塊繁殖的同源四倍體物種。隱性有害等位基因隱藏在高度雜合的四倍體基因組中，使得優(yōu)良等位基因很難聚合在一起，這是導(dǎo)致馬鈴薯育種周期長(zhǎng)的主要原因。團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)151份二倍體馬鈴薯進(jìn)行重測(cè)序，鑒定了全基因組范圍內(nèi)共344 831個(gè)有害突變。這些有害突變?cè)诮z粒區(qū)域富集，因此很難通過(guò)遺傳重組將它們?nèi)壳宄?，但可通過(guò)精心設(shè)計(jì)的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態(tài)，獲得具有雜種優(yōu)勢(shì)的F1雜交種。為進(jìn)一步鑒定這些有害突變的遺傳效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了3個(gè)自交群體，并開(kāi)發(fā)了一套不依賴于親本的基因分型方法?；谠摲椒ǎ?個(gè)群體中鑒定了15個(gè)極端偏分離的區(qū)域，暗示這些區(qū)域含有大效應(yīng)的有害突變。結(jié)合表型分析，鑒定了5個(gè)純合致死位點(diǎn)以及4個(gè)影響長(zhǎng)勢(shì)的位點(diǎn)(圖5)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)對(duì)其中的一個(gè)致死突變ar1進(jìn)行了圖位克隆和功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)它控制胚的發(fā)育。等位基因頻率分析發(fā)現(xiàn)，ar1在馬鈴薯群體中是一個(gè)稀有突變。有意思的是這些大效應(yīng)的有害突變主要位于重組率比較高的區(qū)域，說(shuō)明是可以通過(guò)遺傳重組將它們有效清除的。本研究為二倍體馬鈴薯分子設(shè)計(jì)育種提供了理論基礎(chǔ)，也為解析其他無(wú)性繁殖作物的自交衰退提供了借鑒。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·遺傳》(Nature Genetics, 2019)，同時(shí)獲《分子植物》(Molecular Plant)專評(píng) “為雜交馬鈴薯育種奠定堅(jiān)實(shí)的分子基礎(chǔ)”?！犊茖W(xué)》(Science)期刊綜述指出相關(guān)成果推動(dòng)了雜交馬鈴薯育種進(jìn)程。

圖5 馬鈴薯全基因組范圍內(nèi)的偏分離及自交衰退相關(guān)表型

三是要實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服2個(gè)關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。在前期成功解析了馬鈴薯自交不親和、自交衰退的分子機(jī)制后，團(tuán)隊(duì)對(duì)馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)解析。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致自交衰退的有害突變鑲嵌分布在馬鈴薯的2套基因組中，無(wú)法通過(guò)重組將它們徹底淘汰。但是，不同馬鈴薯中的有害突變具有個(gè)體差異性，可以通過(guò)對(duì)遺傳背景差異大的自交系進(jìn)行雜交來(lái)掩蓋雜交種中有害突變的效應(yīng)。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(wèn)題，必須借助于基因組大數(shù)據(jù)開(kāi)展設(shè)計(jì)育種，才能有效地淘汰有害突變。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)借助在基因組學(xué)研究方面的優(yōu)勢(shì)，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。最終團(tuán)隊(duì)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(hào)”。小區(qū)試驗(yàn)顯示“優(yōu)薯1號(hào)”的產(chǎn)量接近3噸/畝，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，“優(yōu)薯1號(hào)”具有高干物質(zhì)含量和高類蘿卜素含量的特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。相關(guān)成果發(fā)表在《細(xì)胞》(Cell, 2021)，也入選了中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)評(píng)選的《2021中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新技術(shù)新產(chǎn)品新裝備》(圖6)。

圖6 2021年中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新技術(shù)新產(chǎn)品新裝備

3 促進(jìn)科學(xué)發(fā)展的重要意義

傳統(tǒng)四倍體馬鈴薯育種存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)性障礙：一是四倍體遺傳特性造成育種困難且栽培品種遺傳基礎(chǔ)狹窄，難以進(jìn)行種質(zhì)資源創(chuàng)新；二是薯塊繁殖成本高且繁殖效率低?！岸扼w雜交育種-種子繁殖”通過(guò)選育優(yōu)良的二倍體自交系，對(duì)不同自交系配制雜交組合，利用雜種優(yōu)勢(shì)，選擇優(yōu)良的F1雜交種子用于生產(chǎn)。該技術(shù)體系是馬鈴薯研究人員的夢(mèng)想，被譽(yù)為馬鈴薯科研“皇冠上的明珠”。

“優(yōu)薯1號(hào)”的成功選育獲“雜交水稻之父”袁隆平院士的肯定：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來(lái)馬鈴薯的綠色革命” (圖7)。該技術(shù)證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯的遺傳改良進(jìn)入了快速迭代的軌道。

圖7 袁隆平院士高度評(píng)價(jià)中方團(tuán)隊(duì)取得的科研成果

當(dāng)然，雜交馬鈴薯研究仍然處于起始階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。目前的雜交一代與主栽四倍體品種還存在一定差距，特別是在抗病性和適應(yīng)性方面。另外，雜交馬鈴薯種子大規(guī)模生產(chǎn)和種子育苗移栽技術(shù)也有待進(jìn)一步研發(fā)。

綜上所述，二倍體馬鈴薯雜交育種技術(shù)與目前主流的四倍體馬鈴薯育種模式以及成熟的栽培技術(shù)體系互為補(bǔ)充，深入研究二倍體育種和四倍體育種存在的生物學(xué)問(wèn)題及產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，才能使我國(guó)在馬鈴薯基礎(chǔ)與育種應(yīng)用研究上占據(jù)國(guó)際優(yōu)勢(shì)地位，最終為推進(jìn)國(guó)家馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，解決飼料糧食依賴進(jìn)口問(wèn)題，保障國(guó)家糧食安全和鄉(xiāng)村振興提供科技支撐和技術(shù)保障。

4 代表性論文

1. Ye M, Peng Z, Tang D, et al. Generation of selfcompatible diploid potato by knockout of S-RNase.Nature Plants, 2018, 4(9): 651-654

2. Zhang C, Wang P, Tang D, et al. The genetic basis of inbreeding depression in potato. Nature Genetics, 2019, 51(3): 374-378.

3. Ma L, Zhang C, Zhang B, et al. A nonS-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes. Nature Communications, 2021, 12(1): 1-8.

4. Zhang C, Yang Z, Tang D, et al. Genome design of hybrid potato. Cell, 2021, 184(15): 3873-3883.

5. Bao Z, Li C, Li G, et al. Genome architecture and tetrasomic inheritance of autotetraploid potato.Molecular Plant, 2022, 15(7): 1211-1226.