很(hen)少(shao)有人(ren)知(zhi)道(dao)，我們(men)在快餐店吃(chi)的薯條(tiao)幾乎都來自一百(bai)多年前育成的馬(ma)鈴薯品種——作為全(quan)球13億人(ren)口的主糧，馬(ma)鈴薯育種進程之緩慢可見(jian)一斑。中國(guo)科學(xue)家為此提出了“優(you)薯計劃”，目的就(jiu)是讓中國(guo)乃至全(quan)世界(jie)的人(ren)們(men)吃(chi)上更高產(chan)、更優(you)質的馬(ma)鈴薯（又名土豆）。

如今，這(zhe)項(xiang)計劃迎來重大突破：中國農(nong)業(ye)(ye)科(ke)學(xue)院深圳農(nong)業(ye)(ye)基因組研究(jiu)所研究(jiu)員黃三文團隊(dui)研究(jiu)發明了一種“進化(hua)透(tou)鏡”技術，給農(nong)業(ye)(ye)育種家(jia)一雙“火眼金睛(jing)”，能夠及早(zao)發現(xian)出阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁(jiao)”，避(bi)免育種“走錯路(lu)”，讓優質(zhi)高產土(tu)豆更快面(mian)世(shi)。

北京時間2023年5月4日深夜，這一(yi)最新研究成果的(de)論文以“利用進(jin)化(hua)基因(yin)組學鑒定有害突變進(jin)而指導(dao)雜(za)交馬鈴薯育(yu)種”為(wei)題，發表于(yu)國際(ji)學術期刊《細胞》（Cell）。

“這項研(yan)(yan)(yan)究(jiu)是馬鈴薯(shu)育(yu)種的(de)里程(cheng)碑式成(cheng)果(guo)，從科(ke)(ke)學(xue)上講(jiang)和(he)育(yu)種上講(jiang)都(dou)是非常重要(yao)(yao)的(de)，對其他作(zuo)物(wu)育(yu)種同樣(yang)具有(you)重要(yao)(yao)啟示(shi)。”中(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學(xue)院(yuan)院(yuan)士、中(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學(xue)院(yuan)植物(wu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)所研(yan)(yan)(yan)究(jiu)員種康(kang)點評說，該(gai)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)預(yu)示(shi)著作(zuo)物(wu)育(yu)種進(jin)入一個新階段，即育(yu)種家們不能僅僅關注自己(ji)的(de)“一畝(mu)三分(fen)地”，還需要(yao)(yao)從一個更(geng)大(da)的(de)進(jin)化維度思考育(yu)種的(de)新策略。

研(yan)究團(tuan)隊利用進化基因組(zu)學鑒定有害突變進而指導雜(za)交(jiao)馬鈴薯育種示意圖。中國(guo)農業科學院深圳農業基因組(zu)研(yan)究所黃三文團(tuan)隊供圖

土豆的綠色革命

黃(huang)三(san)文為該論(lun)文的通(tong)訊作者，據他介紹，馬鈴(ling)薯(shu)(shu)是最重(zhong)要的塊(kuai)莖類糧食作物，也(ye)是我國第(di)四大主糧作物，具有產量高、用水少、可(ke)種(zhong)植(zhi)地域(yu)廣等優點。然(ran)而，由(you)于傳統栽(zai)培(pei)馬鈴(ling)薯(shu)(shu)是同源(yuan)四倍體，基因組(zu)復(fu)雜，導致育(yu)種(zhong)進程(cheng)十(shi)分緩慢。此外，薯(shu)(shu)塊(kuai)無性(xing)繁殖還面臨(lin)著繁殖系數低、儲運成本高、易(yi)攜帶病蟲害(hai)等問題。

為解決上述難(nan)題，黃(huang)三文(wen)團隊聯合國內外優勢單(dan)位發起了“優薯(shu)計劃”，旨在(zai)用二倍體馬鈴(ling)薯(shu)替(ti)代四倍體、用種(zhong)子(zi)繁殖替(ti)代薯(shu)塊(kuai)繁殖、用基(ji)因組學和合成生(sheng)物學指(zhi)導(dao)馬鈴(ling)薯(shu)育種(zhong)，徹(che)底(di)變革馬鈴(ling)薯(shu)的育種(zhong)繁殖方(fang)式。

“我們(men)有兩個(ge)目標，一個(ge)是將馬(ma)鈴薯的育(yu)種周期(qi)由(you)原來的10～12年縮短至3～5年，一個(ge)是繁(fan)殖系數提高1000倍。”黃(huang)三文說。

2020年11月，黃三(san)文(wen)團(tuan)隊帶著基因(yin)組設(she)計(ji)育種(zhong)獲得的(de)第一代二倍體(ti)馬(ma)鈴(ling)(ling)薯雜交(jiao)種(zhong)子，專程拜訪了(le)當(dang)時還(huan)在(zai)世的(de)袁隆(long)平院士(shi)，向(xiang)他詳細介紹了(le)“優薯計(ji)劃”研究取得的(de)突破性(xing)進(jin)展。袁隆(long)平聽取匯報后十(shi)分開(kai)心，專門為“優薯計(ji)劃”題詞：“馬(ma)鈴(ling)(ling)薯雜交(jiao)種(zhong)子繁殖技術是顛覆性(xing)創新(xin)，將帶來(lai)馬(ma)鈴(ling)(ling)薯的(de)綠(lv)色革命(ming)”。

盡管如此，馬鈴薯基因(yin)組中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)有(you)害突(tu)變，仍(reng)然是(shi)擺在(zai)研究(jiu)團隊面前的(de)一座大山。要說清楚這一問(wen)題，還要從達爾文的(de)進化論說起。

當前地(di)球上(shang)多(duo)種(zhong)多(duo)樣的(de)物種(zhong)是經歷了億萬年的(de)進(jin)化而形成(cheng)的(de)，進(jin)化過程中，物種(zhong)的(de)基因(yin)組(zu)并非一(yi)成(cheng)不變，不過一(yi)些具(ju)有(you)重要功(gong)能的(de)位(wei)點(dian)是不會改變的(de)，它們會在進(jin)化過程中保留在不同(tong)物種(zhong)中，研(yan)究人(ren)員(yuan)稱這一(yi)現象為“進(jin)化約束”，把這些位(wei)點(dian)稱為“進(jin)化保守位(wei)點(dian)”。

找到那(nei)些高度(du)保守的位點，正是“優薯(shu)計劃”的關(guan)鍵(jian)。

不選壯苗選弱苗

論文第一作者、中國農業科(ke)學院深圳(zhen)農業基(ji)因組研究所(suo)博士后吳瑤瑤告訴記者，團(tuan)隊為此(ci)收集(ji)了(le)(le)大量(liang)茄(qie)科(ke)物(wu)種資源，完成了(le)(le)38個茄(qie)科(ke)基(ji)因組的組裝(zhuang)，并利用大數據技(ji)術，將100個茄(qie)科(ke)物(wu)種的基(ji)因組進(jin)行比(bi)較，最終開發出(chu)新(xin)的進(jin)化透鏡技(ji)術。

進(jin)化(hua)透(tou)鏡(jing)，又被稱為“歷史透(tou)鏡(jing)”，即通過生物體(ti)的進(jin)化(hua)歷史快速、有效地鑒(jian)定(ding)并(bing)定(ding)量進(jin)化(hua)保(bao)守位(wei)(wei)點(dian)，其(qi)最長橫跨8000萬(wan)年(nian)進(jin)化(hua)歷史，累計達12億年(nian)。團隊利用該技(ji)術鑒(jian)定(ding)出1700萬(wan)個高度保(bao)守的位(wei)(wei)點(dian)，其(qi)中36%位(wei)(wei)于先前被認為沒有功能的非(fei)編(bian)碼區域。

“這(zhe)些位點在(zai)億萬(wan)年(nian)的(de)進化過(guo)程中都很難(nan)發(fa)生改變，說明它(ta)們對馬鈴(ling)薯的(de)生存是極為重要的(de)。”吳瑤(yao)瑤(yao)說，如果這(zhe)些位點發(fa)生了突(tu)變，有(you)可能對馬鈴(ling)薯造成繁殖力下降、生活力降低、產量減少等不良(liang)影響。

團(tuan)隊利用這些保守(shou)位點信息(xi)，結(jie)合馬(ma)鈴薯(shu)(shu)群體的(de)(de)(de)信息(xi)，構建了馬(ma)鈴薯(shu)(shu)有害突變(bian)二維圖譜(pu)，將人們對(dui)馬(ma)鈴薯(shu)(shu)基因組的(de)(de)(de)認知從一(yi)維的(de)(de)(de)線的(de)(de)(de)認識升級到二維的(de)(de)(de)面的(de)(de)(de)認識。有了圖譜(pu)，馬(ma)鈴薯(shu)(shu)育種家就可(ke)以精(jing)確剔(ti)除馬(ma)鈴薯(shu)(shu)中有害突變(bian)，篩選(xuan)好的(de)(de)(de)育種材料(liao)，預測(ce)馬(ma)鈴薯(shu)(shu)產(chan)量(liang)等表(biao)型。

根(gen)據進(jin)化透鏡解(jie)析馬(ma)鈴薯(shu)的(de)有(you)害(hai)突(tu)(tu)變(bian)二維圖譜，科學家們(men)發現傳統育種(zhong)過程中，選(xuan)(xuan)擇生長更加健壯(zhuang)的(de)馬(ma)鈴薯(shu)作為自交系起(qi)始材料的(de)做法可(ke)能會南轅北轍，可(ke)能會導致(zhi)在選(xuan)(xuan)育過程中子代(dai)(dai)從父母本(ben)中獲(huo)得(de)更多有(you)害(hai)突(tu)(tu)變(bian)反而不利于馬(ma)鈴薯(shu)的(de)自交系構建。相(xiang)反，生長較弱的(de)馬(ma)鈴薯(shu)遺傳給(gei)子代(dai)(dai)的(de)有(you)害(hai)突(tu)(tu)變(bian)更少，后(hou)期的(de)自交育種(zhong)成功率更大(da)。

“這一(yi)‘不選壯(zhuang)苗選弱苗’的(de)(de)反直覺(jue)規律(lv)，不僅顛覆了以往的(de)(de)認知，而(er)且還能夠提早(zao)2-3年預測馬鈴(ling)(ling)薯(shu)的(de)(de)自交系育種結(jie)果，從而(er)快速創(chuang)建更多優良馬鈴(ling)(ling)薯(shu)自交系。”黃(huang)三文說(shuo)。

種業創新“皇冠上的明珠”

黃三(san)文告訴記(ji)者，借助(zhu)(zhu)該(gai)圖(tu)譜(pu)，團隊還開發了一個新的(de)(de)預測(ce)模型(xing)，科學家可以(yi)利用它(ta)解讀馬鈴(ling)薯(shu)(shu)的(de)(de)基因(yin)，只需要(yao)苗期的(de)(de)DNA，就可以(yi)提前預測(ce)馬鈴(ling)薯(shu)(shu)育(yu)(yu)種(zhong)材料的(de)(de)產量、株高、薯(shu)(shu)塊等性狀，更(geng)好地幫助(zhu)(zhu)育(yu)(yu)種(zhong)家制定(ding)早期育(yu)(yu)種(zhong)決策，縮短馬鈴(ling)薯(shu)(shu)育(yu)(yu)種(zhong)周期，讓人(ren)們更(geng)快地享受到更(geng)好的(de)(de)馬鈴(ling)薯(shu)(shu)品(pin)種(zhong)。

評(ping)審專家認為，該(gai)成果可(ke)以更(geng)好(hao)地指導馬(ma)鈴(ling)薯(shu)育(yu)種(zhong)決策，加速馬(ma)鈴(ling)薯(shu)育(yu)種(zhong)進程，標志著我國馬(ma)鈴(ling)薯(shu)育(yu)種(zhong)已經(jing)領先全球，率先進入了基因組設計育(yu)種(zhong)新時代。

“如何將塊莖繁(fan)殖的(de)四倍(bei)體(ti)馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)，變革為種(zhong)(zhong)子(zi)繁(fan)殖的(de)二(er)倍(bei)體(ti)雜(za)交(jiao)馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)，是馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)產業的(de)世界性難題(ti)，也(ye)是種(zhong)(zhong)業創新‘皇冠(guan)上(shang)的(de)明珠’。”中(zhong)國農業科學院黨組書記楊(yang)振海說，“優薯(shu)(shu)計劃”團隊相繼破解(jie)了(le)馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)基(ji)因組解(jie)析、自交(jiao)不親和、自交(jiao)衰退等重大難題(ti)，培育出第一(yi)代自交(jiao)系材料(liao)及雜(za)交(jiao)種(zhong)(zhong)，相關成(cheng)果(guo)均已在(zai)國際頂尖學術(shu)期刊發表，如今又為馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)育種(zhong)(zhong)親本選擇及品種(zhong)(zhong)改良提(ti)供新的(de)科學依據(ju)。這(zhe)些(xie)原創性基(ji)礎性科研成(cheng)果(guo)既得(de)到(dao)了(le)國內(nei)外(wai)同行的(de)高度認可，也(ye)為加(jia)快實現二(er)倍(bei)體(ti)雜(za)交(jiao)馬(ma)(ma)鈴薯(shu)(shu)育種(zhong)(zhong)奠(dian)定(ding)了(le)堅(jian)實基(ji)礎。

中(zhong)國(guo)科學院(yuan)院(yuan)士(shi)、中(zhong)國(guo)科學院(yuan)遺傳與發育(yu)生物學研(yan)究(jiu)(jiu)所研(yan)究(jiu)(jiu)員李(li)家(jia)洋認為，這(zhe)一研(yan)究(jiu)(jiu)成(cheng)果不僅對(dui)馬(ma)鈴薯，還將會(hui)對(dui)糧、油、果、蔬、茶都有(you)重要的指導作用。

中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)(ke)學(xue)院院士、中(zhong)(zhong)國(guo)農業科(ke)(ke)學(xue)院作(zuo)物(wu)科(ke)(ke)學(xue)研究(jiu)所研究(jiu)員錢前說，這項研究(jiu)基于茄科(ke)(ke)植物(wu)進(jin)化基因(yin)組(zu)(zu)學(xue)，開發進(jin)化透(tou)鏡技(ji)術，鑒定了馬鈴薯(shu)基因(yin)組(zu)(zu)上的(de)有(you)害(hai)突變(bian)，并將其應(ying)用到解決馬鈴薯(shu)育(yu)(yu)種難題中(zhong)(zhong)，大幅(fu)地提高馬鈴薯(shu)全基因(yin)組(zu)(zu)預測效(xiao)率，這將實現雜交馬鈴薯(shu)育(yu)(yu)種的(de)早期(qi)決策，加速(su)育(yu)(yu)種進(jin)程，通過剔除有(you)害(hai)變(bian)異和(he)聚(ju)合有(you)益變(bian)異的(de)策略，有(you)望在短期(qi)內(nei)通過基因(yin)組(zu)(zu)設(she)計創建(jian)更多高產優質雜交馬鈴薯(shu)。

“我們農業育(yu)種離不(bu)開(kai)大數據，離不(bu)開(kai)遺傳學(xue)(xue)(xue)、基因組學(xue)(xue)(xue)的(de)布(bu)局。這(zhe)一最新(xin)(xin)成果(guo)即便在國(guo)際(ji)上(shang)也是獨(du)樹一幟的(de)。”中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)院(yuan)士、中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)分子植物科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)卓越創新(xin)(xin)中心主任(ren)韓斌說，研究團隊敏(min)銳地捕捉并完成了(le)這(zhe)一前沿并具(ju)挑戰性的(de)工作，創新(xin)(xin)性地應用了(le)比較基因組學(xue)(xue)(xue)與進化生(sheng)物學(xue)(xue)(xue)來指(zhi)導馬鈴薯育(yu)種，對我國(guo)種業技術(shu)創新(xin)(xin)具(ju)有重(zhong)要意(yi)義。