如今，“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)現(xiàn)了新突破，迎來了育種新利器。近期，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究成果，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》也專門發(fā)表文章，對這一成果進(jìn)行了高度點(diǎn)評。該研究發(fā)明了“進(jìn)化透鏡”技術(shù)，通過繪制首個(gè)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(fā)現(xiàn)阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走錯(cuò)路”，使我國在馬鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。那么究竟什么是“進(jìn)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(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)土豆？
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大家知道嗎？我們在快餐店吃的薯?xiàng)l都來自120年前育成的一個(gè)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(chǎn)量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點(diǎn)，但它的育種進(jìn)程卻十分緩慢。為此，我國科學(xué)家提出了“優(yōu)薯計(jì)劃”，目的就是讓人們吃上更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯。
“優(yōu)薯計(jì)劃”破解馬鈴薯育種難題
馬鈴薯營養(yǎng)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(gè)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(shí)，在種植方面，馬鈴薯具有產(chǎn)量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復(fù)雜，導(dǎo)致育種進(jìn)程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等問題。
文章共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的博士后 吳瑤瑤：我們在快餐店吃的薯?xiàng)l其實(shí)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(gè)品種替代它。馬鈴薯繁殖系數(shù)很低，我們每生產(chǎn)10個(gè)土豆只能留下9個(gè)，因?yàn)橛幸粋€(gè)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(gè)非常明顯的缺陷，一是它價(jià)格貴，二是種薯不是每個(gè)地方都能生產(chǎn)的，只能在一些冷涼的地方，像內(nèi)蒙古、云南、貴州等。而且在儲藏和運(yùn)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(gè)巨大的浪費(fèi)。
為了解決這一系列難題，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”，吳瑤瑤介紹，“優(yōu)薯計(jì)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(yōu)薯計(jì)劃”有兩個(gè)目標(biāo)，一個(gè)是利用基因組學(xué)的方法去簡化馬鈴薯的基因組，現(xiàn)在的商業(yè)馬鈴薯是四倍體，有4套基因組，太過于復(fù)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(gè)就是用種子去替代薯塊的繁殖，把繁殖系數(shù)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(shù)有望將雜交馬鈴薯育種效率提升50%
最近，“優(yōu)薯計(jì)劃”又取得了新進(jìn)展，開發(fā)出“進(jìn)化透鏡”技術(shù)，這一技術(shù)最核心的理論，要從達(dá)爾文的進(jìn)化論說起。如今地球上多種多樣的物種是經(jīng)歷了億萬年進(jìn)化成的，在進(jìn)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(jìn)化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現(xiàn)象為“進(jìn)化約束”，把這些不變的序列稱為“進(jìn)化保守位點(diǎn)”，找到這些高度保守的位點(diǎn)以及哪些位點(diǎn)在馬鈴薯中發(fā)生了突變，是“優(yōu)薯計(jì)劃”的關(guān)鍵。吳瑤瑤說，“進(jìn)化透鏡”技術(shù)就是通過生物體的進(jìn)化歷史，快速有效地對“進(jìn)化保守位點(diǎn)”進(jìn)行鑒定和定量。
吳瑤瑤：為了讓馬鈴薯基因組中受到進(jìn)化約束的這些位點(diǎn)浮現(xiàn)出來，我們就需要去追蹤一個(gè)足夠長的進(jìn)化歷史。我們收集了大量茄科的物種資源，完成了38個(gè)茄科基因組的從頭組裝，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將100個(gè)茄科及旋花科材料（92個(gè)物種）的基因組進(jìn)行比較，去追蹤這些材料，最長進(jìn)化時(shí)間有8000萬年，累計(jì)有12億年的進(jìn)化歷史，我們就可以鑒定出哪些位點(diǎn)是不能改變的。打一個(gè)比方，就如同是一道白光透過三棱鏡的時(shí)候，根據(jù)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(jìn)化，我們就可以把對馬鈴薯生長發(fā)育非常重要的位點(diǎn)給區(qū)分出來。
吳瑤瑤進(jìn)一步解釋，這些位點(diǎn)在億萬年的進(jìn)化過程中都很難發(fā)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(diǎn)發(fā)生了突變，有可能對馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產(chǎn)量減少等不良影響，也就是產(chǎn)生“有害突變”。于是，研究人員根據(jù)“進(jìn)化透鏡”解析出馬鈴薯的“有害突變二維圖譜”，有了這個(gè)“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(shí)上育種是一個(gè)選優(yōu)去劣的過程，育種家在選擇高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(gòu)建的馬鈴薯有害突變的全景圖。它包含兩個(gè)維度，一個(gè)是基因型維度，判斷是不是有害突變，另一個(gè)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(jìn)行定性，還可以進(jìn)行定量。我們就可以在早期的時(shí)候選擇好的材料，淘汰掉不好的材料，然后將整個(gè)育種的效率提高50%以上。
“進(jìn)化透鏡”技術(shù)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(yù)測這個(gè)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(yù)測馬鈴薯育種材料的產(chǎn)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(xiàng)成果標(biāo)志著我國馬鈴薯育種已經(jīng)領(lǐng)先全球，率先進(jìn)入了基因組設(shè)計(jì)育種新時(shí)代。
吳瑤瑤：我們目前已經(jīng)跟云南師大、云南農(nóng)科院和廣東農(nóng)科院等多家單位開展了密切的合作，推進(jìn)整個(gè)雜交馬鈴薯的育種。我們預(yù)計(jì)3—5年之內(nèi)可以至少產(chǎn)生2—3個(gè)優(yōu)良的品系，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，產(chǎn)量和抗病性有一個(gè)大幅度的提升。構(gòu)建高度純合的自交系，是雜交馬鈴薯育種最關(guān)鍵的一個(gè)步驟。接下來我們就會根據(jù)本次研究構(gòu)建的二維圖譜，還有自交系起始材料預(yù)測模型、表型預(yù)測模型，指導(dǎo)我們培育更多的自交系，然后聚合這些自交系中的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等優(yōu)良基因，去淘汰掉那些有害突變，可以快速培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(shù)體系，然后為下一步的產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。
