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第一代全基因组设计的杂交马铃薯问世!《细胞

时间:2021/08/28    

  中国青年报客户端讯(中青报·中青网记者 邱晨辉)2021年6月24日23时,国际知名学术期刊《细胞》(Cell)在线发表了题为“杂交马铃薯的基因组设计”的论文,报道了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队在杂交马铃薯育种领域的研究成果,这是“优薯计划”实施以来取得的里程碑式突破。

  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。与谷物类粮食作物不同,栽培马铃薯是依靠薯块进行无性繁殖的同源四倍体物种。黄三文告诉记者,由于四倍体遗传的复杂性,马铃薯的遗传改良进程缓慢,一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植。

  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。马铃薯产业面临的另外一个挑战是薯块的繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害。

  在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下,中国农科院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,旨在彻底解决马铃薯产业面临的问题。这被认为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。

  2020年11月,黄三文团队带着第一代基因组设计育种获得二倍体马铃薯杂交种子,专程拜访了“杂交水稻之父”袁隆平院士,向他详细介绍了“优薯计划”研究取得的突破性进展。袁隆平听取汇报后十分开心,专门为“优薯计划”题词:“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新,将带来马铃薯的绿色革命”。

  黄三文说,目前,二倍体育种已经成为全球马铃薯界的研究热点,荷兰、中国和美国等国的科学家纷纷呼吁开展开展二倍体的研究和育种工作。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。

  自交不亲和是指植物自花授粉后不会产生种子的现象。要培育自交系,首先需要解决自交不亲和的问题。在前期研究中,黄三文团队通过基因组编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因,筛选到了S-RNase的天然突变体,并克隆了来自野生种的自交亲和基因,解决了自交不亲和的问题。

  自交衰退是指生物在自交之后出现生理机能的衰退,表现为生活力下降、抗性减弱、产量降低等。马铃薯作为异交作物,在长期的无性繁殖过程中,累积了大量的隐性有害突变,一旦自交之后,有害突变的不良效应便会显现出来,导致自交衰退。

  黄三文说,与自交不亲和由少数几个基因控制不同,自交衰退涉及很多基因,也更难克服。荷兰科学家在2011年就公布了杂交马铃薯的进展,但是10年之后依然面临自交系纯度较低的问题,限制了大规模商业化推广,主要就是因为无法克服自交衰退的问题。

  前期,黄三文团队对马铃薯自交衰退的遗传基础进行了系统解析。他们发现,导致自交衰退的有害突变镶嵌分布在马铃薯的两套基因组中,无法通过重组将它们彻底淘汰。但是,不同马铃薯中的有害突变具有个体差异性,可以通过对遗传背景差异大的自交系进行杂交来掩盖杂交种中有害突变的效应。这些研究表明,基于表型选择的育种策略,难以克服自交衰退的问题,必须借助于基因组大数据开展设计育种,才能有效地淘汰有害突变。

  在此基础之上,黄三文团队借助在基因组学研究方面的优势,利用基因组大数据进行育种决策,建立了杂交马铃薯基因组设计育种流程。目前,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”的产量接近3吨/亩,具有显著的产量杂种优势。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。

  (2021年6月24日23时,《细胞》在线发表题为“杂交马铃薯的基因组设计”的论文截图。)

  来自中国农科院的消息称,“优薯1号”的成功选育证明了杂交马铃薯育种的可行性,使马铃薯遗传改良进入了快速迭代的轨道。黄三文为该论文的通讯作者,张春芝为第一作者。

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