研究團隊利用進化基因組學識別有害突變并指導馬鈴薯雜交育種的示意圖。中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊供圖

很少有人知道，我們在快餐店吃的薯條幾乎全部來自于100多年前開發(fā)的馬鈴薯品種——。作為全球人口的主食之一，馬鈴薯育種進展緩慢是有目共睹的。中國科學家為此提出了“優(yōu)良馬鈴薯工程”，目的是讓中國乃至世界人民吃上產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好的馬鈴薯（又稱馬鈴薯）。

（資料圖）

如今，這一計劃取得了重大突破：中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員黃三文團隊發(fā)明了“進化透鏡”技術，為農(nóng)業(yè)育種者賦予了一雙“雪亮的眼睛”，可以盡早發(fā)現(xiàn)阻礙馬鈴薯育種的障礙?；蚪M“暗礁”可以防止育種走上“歧路”，讓優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的馬鈴薯更快上市。

不久前，國際學術期刊《細胞》（Cell）上發(fā)表了一篇題為“利用進化基因組學識別有害突變并指導馬鈴薯雜交育種”的論文。

“這項研究是馬鈴薯育種領域的里程碑式成果，從科學和育種角度來看都非常重要，對其他作物的育種也具有重要意義?！敝袊茖W院院士、中國科學院植物研究所研究員殿康評論道，“這項研究表明作物育種進入了一個新階段，即育種者不能再只關注自己的品種”。擁有“一畝三分地”，還需要從更大的進化維度思考新的育種策略。

馬鈴薯的綠色革命

黃三文是該論文的通訊作者。據(jù)他介紹，馬鈴薯是我國最重要的塊莖糧食作物，也是第四大主糧作物。具有產(chǎn)量高、用水量少、種植面積廣等優(yōu)點。然而，由于傳統(tǒng)栽培的馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，育種過程非常緩慢。此外，馬鈴薯塊莖無性繁殖還面臨繁殖系數(shù)低、儲運成本高、病蟲害易攜帶等問題。

為了解決上述問題，黃三文團隊聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位啟動了“卓越馬鈴薯工程”，旨在以二倍體馬鈴薯替代四倍體馬鈴薯，以種子繁殖替代塊莖繁殖，并利用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯育種。徹底改變馬鈴薯育種和繁殖方法。

“我們有兩個目標，一是把馬鈴薯育種周期從原來的10-12年縮短到3-5年，二是繁殖系數(shù)提高1000倍?！秉S三文說道。

2020年11月，黃三文團隊帶著通過基因組設計育種獲得的第一代二倍體馬鈴薯雜交種子拜訪了當時還在世的袁隆平院士，向他詳細介紹了“二倍體馬鈴薯雜交種子”研究取得的突破。馬鈴薯優(yōu)秀工程”取得進展。袁隆平聽完匯報后非常高興，為“優(yōu)秀馬鈴薯工程”題詞：“馬鈴薯雜交制種繁殖技術是一項顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命?！?

盡管如此，馬鈴薯基因組中有害突變的存在仍然是研究小組的一個大問題。要弄清楚這個問題，還得從達爾文的進化論說起。

地球上目前的多樣化物種是經(jīng)過億萬年的進化形成的。在進化過程中，物種的基因組并不是一成不變的，但一些具有重要功能的位點不會發(fā)生變化。它們在進化過程中會發(fā)生變化。研究人員將這種跨物種保留的現(xiàn)象稱為“進化限制”，并將這些位點稱為“進化保守位點”。

尋找那些高度保守的遺址是“優(yōu)樹計劃”的關鍵。

不選強苗，選弱苗

論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后吳耀耀告訴中青報·中青報記者，團隊為此收集了大量茄科物種資源。目的，完成了38個茄科基因組的組裝，并利用大數(shù)據(jù)技術，比對了100個茄科物種的基因組，最終開發(fā)出新的進化透鏡技術。

進化透鏡又稱“歷史透鏡”，是一種通過生物體的進化歷史來快速有效地識別和量化進化保守位點的方法。其進化歷史最長跨度為8000萬年，總計12億年。該團隊利用這項技術識別出了1700 萬個高度保守的位點，其中36% 位于以前被認為沒有功能的非編碼區(qū)域。

“這些位點在數(shù)億年的進化過程中很難改變，這表明它們對于馬鈴薯的生存極其重要?！眳乾幀幈硎荆绻@些位點發(fā)生變異，可能會導致繁殖力下降，導致馬鈴薯的生育力降低?；盍档?、產(chǎn)量減少等不良影響。

研究團隊利用這些保守位點信息，結(jié)合馬鈴薯種群信息，構(gòu)建了馬鈴薯有害突變的二維圖譜，將人們對馬鈴薯基因組的認識從一維線理解升級到二維面理解。借助該圖譜，馬鈴薯育種者可以準確消除馬鈴薯中的有害突變，篩選優(yōu)良育種材料，并預測馬鈴薯產(chǎn)量和其他表型。

科學家通過進化的視角分析馬鈴薯有害突變的二維圖譜，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)育種過程中，選擇長勢較強的馬鈴薯作為自交系起始材料的做法可能會走向相反的方向，這可能會導致在后代中從親本中獲得更多有害突變，不利于馬鈴薯自交系的構(gòu)建。相比之下，生長較弱的馬鈴薯繼承的有害突變較少，并且在以后的自我繁殖中取得了更大的成功。

“這種‘不選強苗、選弱苗’的反直覺規(guī)律，不僅顛覆了以往的認識，而且還可以提前2-3年預測馬鈴薯自交系育種的結(jié)果，從而快速培育出更多優(yōu)秀的馬鈴薯自交系。友誼?！秉S三文說道。

種業(yè)創(chuàng)新“皇冠上的明珠”

黃三文告訴記者，在地圖的幫助下，團隊還開發(fā)了新的預測模型?？茖W家可以用它來解釋馬鈴薯基因。只需要苗期的DNA即可提前預測馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高和塊莖大小。這些性狀可以更好地幫助育種者做出早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，讓人們更快地享受到更好的馬鈴薯品種。

評審專家認為，這一結(jié)果可以更好地指導馬鈴薯育種決策，加速馬鈴薯育種進程。標志著我國馬鈴薯育種已經(jīng)領先世界，率先進入基因組設計育種新時代。

“如何將塊莖繁殖的四倍體馬鈴薯轉(zhuǎn)化為種子繁殖的二倍體雜交馬鈴薯，是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的全球性難題，也是種業(yè)創(chuàng)新的‘皇冠上的明珠’?！敝袊r(nóng)業(yè)科學院黨委書記楊振海表示，“優(yōu)馬鈴薯工程”團隊先后解決了馬鈴薯基因組解析、自交不親和、自交衰退等重大難題，培育出第一代自交系材料和混合物。相關成果已發(fā)表在國際頂級學術期刊上。為馬鈴薯育種親本選擇和品種改良提供了新的科學依據(jù)。這些原創(chuàng)性、基礎性科研成果不僅得到了國內(nèi)外同行的高度認可，也為加快實現(xiàn)馬鈴薯二倍體雜交育種奠定了堅實的基礎。

中國科學院院士、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家陽認為，這一研究成果不僅對馬鈴薯，對谷物、油、水果、蔬菜和茶。

中國科學院院士、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員錢謙表示，這項研究基于茄科植物的進化基因組學，開發(fā)了進化透鏡技術，識別出有害突變研究馬鈴薯基因組，并將其應用于解決馬鈴薯育種問題。大大提高了馬鈴薯全基因組的預測效率，將有助于馬鈴薯雜交育種的早期決策，加速育種進程。通過消除有害突變、聚合有益突變的策略，有望在短期內(nèi)通過基因組設計創(chuàng)造出更多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交馬鈴薯。

“我們的農(nóng)業(yè)育種離不開大數(shù)據(jù)，離不開遺傳學、基因組學的布局，這一最新成果即使在世界上也是獨一無二的?！敝袊茖W院院士、中國科學院分子植物科學卓越中心主任韓斌說。研究團隊敏銳捕捉并完成了這項前沿性、挑戰(zhàn)性的工作，創(chuàng)新性地應用比較基因組學和進化生物學指導馬鈴薯育種，對我國種業(yè)技術創(chuàng)新具有重要意義。

中青報·中青報記者邱晨輝來源：中國青年報

來源：中國青年報