您可能不知道，你在肯德基和麥當勞吃的薯條都來自120年前育成的馬鈴薯品種。馬鈴薯對全球糧食安全有重要意義，然而，經過120余年的發展，馬鈴薯仍面臨著品種更新慢、易受病蟲害威脅、儲運成本高等問題。
5月4日，頂尖學術期刊《細胞》報道了中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果，題為“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進化基因組學鑒定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種）”。該研究發明了一種新的“進化透鏡”技術，給育種家一雙“火眼金睛”，及早發現了阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”（科學家稱之為“有害突變”），繪制了首個包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，能夠避免育種“走錯路”，讓大家能夠更快吃上更優質的高產土豆。成果標志著我國馬鈴薯育種已經領先全球，率先進入了基因組設計育種新時代，為下一步指導自交系育種起始材料選擇及品種改良提供了新依據。
這一技術最核心的理論，要從達爾文的進化論說起。
如今地球上多種多樣的物種是經歷了億萬年的進化而形成的，在進化過程中物種的基因組并不是一成不變的。但是，一些具有重要功能的位點是不會改變的，對物種的生存極為重要。研究人員稱這一現象為進化約束（evolutionary constraint），把這些位點稱為進化保守位點，找到這些高度保守的位點是馬鈴薯育種的關鍵。
為此，研究團隊收集了大量茄科物種資源，完成了38個茄科基因組的組裝，并利用大數據技術，將100個茄科物種的基因組進行比較，最終開發出新的進化透鏡技術，又稱之為“歷史透鏡（最長橫跨8000萬年進化歷史，累計達12億年）”，快速、有效地鑒定并定量進化保守位點。
該團隊利用該技術鑒定出17M高度保守的位點，其中36%位于先前沒有被功能注釋的非編碼區域。這些位點如果這些位點發生了突變，有可能對馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產量減少等不良影響（研究人員稱為有害突變）。有了圖譜，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中有害突變，篩選好的育種材料，預測馬鈴薯產量等表型。
根據進化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學家們發現傳統育種過程中，使用生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系的起始材料的做法可能會南轅北轍，可能會導致在選育過程中子代從父母本中獲得更多有害突變反而不利于馬鈴薯的自交系構建。相反，生長較弱的馬鈴薯遺傳給予代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。這個結果不僅顛覆了以往的認知，而且還能夠提早2-3年預測馬鈴薯的自交系育種結果，從而快速創建更多優良馬鈴薯自交系。
研究人員利用該圖譜還開發了一個新的預測模型，科學家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前預測馬鈴薯育種材料的產量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，讓廣大人民群眾更快地享受到更好的馬鈴薯品種。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌指出，這項研究創新性地應用了整個茄科的比較基因組學與進化生物學來指導馬鈴薯育種，思路新穎，引領了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對我國種業技術創新具有重要意義。
中國科學院院士、中科院植物所研究員種康表示，這項研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預示著作物育種進入一個新的時代，即育種家們不能僅僅關注自己的“一畝三分地”，更需要從一個更大的進化維度思考育種的新策略。
中國科學院院士、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋認為，這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用。
該研究成果由中國農業科學院深圳農業基因組研究所（以下簡稱“基因組所”）研究員黃三文為通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士生胡勇為該論文的共同第一作者，同時得到了來自英國、美國、瑞士、德國等多個國家地區的科研專家指導。
該研究是中國農科院等單位發起的“優薯計劃”中的一項重要成果。該計劃旨在利用基因組學的方法簡化馬鈴薯基因組（即用二倍體馬鈴薯替代四倍體馬鈴薯），縮短馬鈴薯的育種周期，由原來的10～12年縮短至3～5年；使用雜交種子替代薯塊繁殖，將繁殖系數提高1000倍，極大地降低種植、儲存、運輸成本，讓中國乃至全世界的人們吃上更高產、更優質的馬鈴薯，引領馬鈴薯產業的“綠色革命”
據了解，傳統栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，導致馬鈴薯改良的進程非常緩慢。例如，具有121年歷史的“Russet Burbank”品種至今仍是市場上的主栽品種。但該品種容易感染晚疫病、枯萎病等多種常見的病害，導致種植過程中需要藥物參與。同時目前馬鈴薯的種植方式是使用薯塊進行種植，薯塊易攜帶病蟲害，并且運輸及儲存成本高。
為了解決馬鈴薯產業面臨的難題，黃三文研究員聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃” ，近年來已陸續取得多種成果。黃三文團隊先后解析了單倍體、二倍體及四倍體馬鈴薯基因組（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了馬鈴薯自交不親和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了馬鈴薯演化及薯塊演化的規律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遺傳基礎（Nature Genetics, 2019），通過剔除極大效應有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種（Cell，2021; JIPB，2022）。盡管如此，馬鈴薯基因組中存在的有害突變仍然是個大問題。本研究利用進化基因組學，開創了進化透鏡鑒定有害突變的新技術，提出了高度純合自交系起始材料反直覺選擇的新依據，開發了全基因組預測農藝性狀的新策略，標志著我國在馬鈴薯育種理論和技術上站在了世界領先地位。
