如今，“優薯計劃”實現了新突破，迎來了育種新利器。近期，國際學術期刊《細胞》發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊的一項最新研究成果，國際學術期刊《自然》也專門發表文章，對這一成果進行了高度點評。該研究發明了“進化透鏡”技術，通過繪制首個馬鈴薯“有害突變二維圖譜”，能夠給育種家一雙“火眼金睛”，幫助他們及早發現阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走錯路”，使我國在馬鈴薯育種基礎理論和技術上站在了世界領先地位。那么究竟什么是“進化透鏡”？這一育種新利器將如何助力我國雜交馬鈴薯育種走上快車道，讓大家能夠更快吃上更優質的高產土豆？
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大家知道嗎？我們在快餐店吃的薯條都來自120年前育成的一個馬鈴薯品種。馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，是全球13億人口的主要糧食來源，也是我國第四大主糧作物。馬鈴薯具有產量高、用水少、可種植地域廣等優點，但它的育種進程卻十分緩慢。為此，我國科學家提出了“優薯計劃”，目的就是讓人們吃上更高產、更優質的馬鈴薯。
“優薯計劃”破解馬鈴薯育種難題
馬鈴薯營養全面，富含碳水化合物、膳食纖維和維生素，在國際上是13億人、125個國家的主糧，也是我國第四大主糧作物，對全球糧食安全具有重要意義。與此同時，在種植方面，馬鈴薯具有產量高、用水少、可種植地域廣等優點。然而，由于傳統栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復雜，導致育種進程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等問題。
文章共同第一作者、中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊的博士后 吳瑤瑤：我們在快餐店吃的薯條其實是120年前育成的品種，馬鈴薯的育種是非常困難的，這么多年育種家也沒能選育出來一個品種替代它。馬鈴薯繁殖系數很低，我們每生產10個土豆只能留下9個，因為有一個需要作為下一季的種薯，算下來每畝地需要200公斤種薯。種薯繁殖有兩個非常明顯的缺陷，一是它價格貴，二是種薯不是每個地方都能生產的，只能在一些冷涼的地方，像內蒙古、云南、貴州等。而且在儲藏和運輸過程中，非常容易感染各種病蟲害。我們所收獲的馬鈴薯中大概有13%直接損耗掉了，這是一個巨大的浪費。
為了解決這一系列難題，黃三文團隊聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”，吳瑤瑤介紹，“優薯計劃”就是要用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。
吳瑤瑤：“優薯計劃”有兩個目標，一個是利用基因組學的方法去簡化馬鈴薯的基因組，現在的商業馬鈴薯是四倍體，有4套基因組，太過于復雜了，用二倍體代替四倍體，就可以縮短馬鈴薯的育種周期，把原來10—12年的育種周期縮短到3—5年。第二個就是用種子去替代薯塊的繁殖，把繁殖系數提高1000倍，降低種植的成本。馬鈴薯的種子體積非常小，它的重量只有芝麻的1/6，種一畝地我們需要200公斤的薯塊，如果用種子的話只需要兩克。而且種子也比薯塊耐儲存、干凈很多，不太會容易傳播病蟲害。
新技術有望將雜交馬鈴薯育種效率提升50%
最近，“優薯計劃”又取得了新進展，開發出“進化透鏡”技術，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進化成的，在進化過程中物種的基因組序列并不是一成不變的。但是，一些具有重要功能的序列是不能改變的，它們會在進化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現象為“進化約束”，把這些不變的序列稱為“進化保守位點”，找到這些高度保守的位點以及哪些位點在馬鈴薯中發生了突變，是“優薯計劃”的關鍵。吳瑤瑤說，“進化透鏡”技術就是通過生物體的進化歷史，快速有效地對“進化保守位點”進行鑒定和定量。
吳瑤瑤：為了讓馬鈴薯基因組中受到進化約束的這些位點浮現出來，我們就需要去追蹤一個足夠長的進化歷史。我們收集了大量茄科的物種資源，完成了38個茄科基因組的從頭組裝，利用大數據技術，將100個茄科及旋花科材料（92個物種）的基因組進行比較，去追蹤這些材料，最長進化時間有8000萬年，累計有12億年的進化歷史，我們就可以鑒定出哪些位點是不能改變的。打一個比方，就如同是一道白光透過三棱鏡的時候，根據波長的不同，它可以分出七色的單色光一樣，馬鈴薯基因組透過進化，我們就可以把對馬鈴薯生長發育非常重要的位點給區分出來。
吳瑤瑤進一步解釋，這些位點在億萬年的進化過程中都很難發生改變，說明它們對馬鈴薯的生存是極為重要的。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，也就是產生“有害突變”。于是，研究人員根據“進化透鏡”解析出馬鈴薯的“有害突變二維圖譜”，有了這個“寶典”，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中存在的有害突變，在早期篩選好的育種材料。
吳瑤瑤：事實上育種是一個選優去劣的過程，育種家在選擇高產優質等有益基因上有很多方法，但是淘汰有害基因的工具還不太夠。“有害突變二維圖譜”是我們首次構建的馬鈴薯有害突變的全景圖。它包含兩個維度，一個是基因型維度，判斷是不是有害突變，另一個是有害突變程度，測量它到底影響有多大，這樣不僅可以對有害突變進行定性，還可以進行定量。我們就可以在早期的時候選擇好的材料，淘汰掉不好的材料，然后將整個育種的效率提高50%以上。
“進化透鏡”技術就好比給了育種家一雙“火眼金睛”，只需要幼苗期DNA，就可以提前2—3年預測這個育種材料是否是好的馬鈴薯育種起始材料，也可以在幼苗期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。吳瑤瑤表示，這項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。
吳瑤瑤：我們目前已經跟云南師大、云南農科院和廣東農科院等多家單位開展了密切的合作，推進整個雜交馬鈴薯的育種。我們預計3—5年之內可以至少產生2—3個優良的品系，在現有的基礎上，產量和抗病性有一個大幅度的提升。構建高度純合的自交系，是雜交馬鈴薯育種最關鍵的一個步驟。接下來我們就會根據本次研究構建的二維圖譜，還有自交系起始材料預測模型、表型預測模型，指導我們培育更多的自交系，然后聚合這些自交系中的產量、品質、抗性等優良基因，去淘汰掉那些有害突變，可以快速培育出高產優質的馬鈴薯品種。另外，我們同步也在建立雜交馬鈴薯種子的配套栽培技術體系，然后為下一步的產業化提供技術基礎。
