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這一馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，北京時(shí)間6月24日23時(shí)在線(xiàn)發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《細胞（Cell）》，這是“優(yōu)薯計劃”實(shí)施以來(lái)取得的里程碑式突破。

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代二倍體馬鈴薯雜交種具有顯著(zhù)的雜種優(yōu)勢。中國農科院基因組所供圖

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據《雜交馬鈴薯的基因組設計》論文的作者，中國農科院深圳基因組所研究員張春芝介紹，與谷物類(lèi)糧食作物不同，普通栽培馬鈴薯是依靠薯塊進(jìn)行無(wú)性繁殖的同源四倍體物種，但由于四倍體遺傳的復雜性，致使馬鈴薯的遺傳改良進(jìn)程緩慢，一些上百年歷史的馬鈴薯品種仍然在廣泛種植。如美國的薯條加工型品種Russet Burbank，是1902年育成的，至今仍是美國的大品種。中國栽培面積大的品種“克新1號”是1958年育成的，至今已經(jīng)種植了60多年。

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目前，二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯研究領(lǐng)域熱點(diǎn)，荷蘭、中國和美國等國科學(xué)家紛紛呼吁開(kāi)展二倍體的研究和育種工作。但要實(shí)現二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個(gè)關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。

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張春芝解釋?zhuān)越徊挥H和是指植物自花授粉后不會(huì )產(chǎn)生種子的現象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和問(wèn)題。在前期研究中，黃三文團隊通過(guò)基因組編輯技術(shù)敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因，篩選到了S-RNase的天然突變體，并克隆了來(lái)自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和問(wèn)題。

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“自交衰退則是指生物在自交之后出現生理機能的衰退，表現為生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低等”。張春芝表示，馬鈴薯作為異交作物，在長(cháng)期的無(wú)性繁殖過(guò)程中，累積了大量的隱性有害突變，一旦自交之后，有害突變的不良效應便會(huì )顯現出來(lái)，導致自交衰退。與自交不親和由少數幾個(gè)基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更難克服。荷蘭科學(xué)家在2011年就公布了雜交馬鈴薯的進(jìn)展，但是10年之后仍然面臨自交系純度較低的問(wèn)題，限制了大規模商業(yè)化推廣，“主要就是因為無(wú)法克服自交衰退的問(wèn)題”。

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來(lái)源：論文插圖

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黃三文團隊前期對馬鈴薯自交衰退的遺傳進(jìn)行了系統解析。研究發(fā)現，導致自交衰退的有害突變鑲嵌分布在馬鈴薯的兩套基因組中，無(wú)法通過(guò)重組將它們徹底淘汰。但是，不同馬鈴薯中的有害突變具有個(gè)體差異性，可以通過(guò)對遺傳背景差異大的自交系進(jìn)行雜交來(lái)掩蓋雜交種中有害突變的效應。這些研究表明，基于表型選擇的育種策略，難以克服自交衰退的問(wèn)題，必須借助基因組大數據開(kāi)展設計育種，才能有效地淘汰有害突變。

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在此基礎之上，黃三文團隊憑借基因組學(xué)研究方面的優(yōu)勢，利用基因組大數據進(jìn)行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種“四步法”流程：

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步，用于培育自交系的起始的選擇，選擇標準是起始材料的基因組雜合度較低和有害突變數目較少；第二步，起始材料自交群體的遺傳解析，主要是根據全基因組偏分離分析和表型評價(jià)，確定大效應有害等位基因和優(yōu)良等位基因在基因組中的分布；第三步，自交系的選育，根據前景和背景選擇淘汰大效應的有害突變，并聚合優(yōu)良等位基因，尤其是要打破大效應有害突變和優(yōu)良等位基因之間的連鎖；后一步，雜交種的選育，根據基因組測序的結果，選擇基因組互補性比較高的自交系進(jìn)行雜交，獲得雜種優(yōu)勢顯著(zhù)的雜交種。通過(guò)“四步法”，該團隊已經(jīng)培育出代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。小區試驗顯示“優(yōu)薯1號”產(chǎn)量接近3噸/畝，具有顯著(zhù)的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。同時(shí)，“優(yōu)薯1號”具有高干物質(zhì)含量和高類(lèi)胡蘿卜素含量特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。

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“優(yōu)薯1號”的成功選育證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯遺傳改良進(jìn)入了快速迭代的軌道。2020年11月8日，已故“雜交水稻之父”袁隆平院士在聽(tīng)取該項研究介紹之后，題詞評價(jià)：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng )新，將帶來(lái)馬鈴薯的綠色革命”。