“进化透镜”技术加速杂交马铃薯育种

本文转自：农民日报

“优薯计划”取得重大突破

“进化透镜”技术加速杂交马铃薯育种

马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，也是我国第四大主粮作物，全球有13亿人以马铃薯为主食。但马铃薯的育种进程却十分缓慢，平时人们在快餐店吃的薯条，全都来自120年前育成的一个马铃薯品种。为此，中国科学家提出了“优薯计划”，目的就是为了让中国乃至全世界的人们吃上更高产、更优质的马铃薯。

如今，优薯计划实现新突破，迎来了育种新利器。5月4日，国际权威期刊《细胞（Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队的最新研究成果：利用进化基因组学鉴定有害突变进而指导杂交马铃薯育种。该研究发明了一种新的“进化透镜”技术，给育种家一双“火眼金睛”，能够及早发现阻碍马铃薯育种的基因组有害突变，避免育种“走错路”，让大家能够更快吃上更优质的高产土豆，这使我国在马铃薯育种基础理论和技术上站在了世界领先地位，进入了基因组设计育种新时代。

马铃薯育种是世界性难题，这是因为马铃薯是四倍体作物，也就是说“四套基因组”，遗传分析很复杂。再加上，马铃薯属于薯块繁殖，繁殖系数仅1∶10，相当于收获10个土豆，人们需要留下一个作为“种子”，极大地增加了种植成本，并且薯块运输成本高、易感染病虫害。“优薯计划”就是要用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。

育种实际中发现，马铃薯基因组中大量杂合有害突变，为实现品种快速改良必须高效剔除有害突变，急需一种准确鉴定并定量全基因组的有害突变的新技术。我国科学家团队突破常规思维，将马铃薯育种放置在“进化论”这样广阔的视野中去研究，进而发明了“进化透镜”技术。黄三文团队收集了100份茄科和旋花科的材料（92个物种），通过基因组的比较分析，追踪最长8000万年、累计12亿年的进化痕迹，在此基础上开发出“进化透镜”，用来发现马铃薯进化约束及有害突变的点位，绘制了首个马铃薯有害突变二维图谱。有了图谱，马铃薯育种家就可以精确剔除马铃薯中有害突变，筛选好的育种材料，预测马铃薯产量等表型。

根据“进化透镜”解析马铃薯的有害突变二维图谱，科学家们发现传统育种过程中，使用生长更加健壮的马铃薯作为自交系的起始材料的做法可能会南辕北辙，可能会导致在选育过程中子代从父母本中获得更多有害突变反而不利于马铃薯的自交系构建。相反，生长较弱的马铃薯遗传给子代的有害突变更少，后期的自交育种成功率更大。这个结果不仅颠覆了以往的认知，而且还能够提早2-3年预测马铃薯的自交系育种的结果，从而快速创建更多优良马铃薯自交系。

不仅如此，研究人员利用该图谱还开发了一个新的预测模型，科学家可以利用它解读马铃薯的基因，只需要幼苗期的DNA，就可以提前预测马铃薯育种材料的产量、株高、薯块等性状。

“相比缺少有害突变信息模型，预测准确度提高了45%；相比随机有害突变信息模型，预测准确度提高了25%。”黄三文表示，这将更好地帮助育种家制定早期育种决策，缩短马铃薯育种周期。

中国科学院院士、崖州湾实验室主任李家洋表示，利用这一研究成果，可以避免选错材料，将会指导快速培育自交系，不仅对马铃薯，还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。

“农业育种离不开大数据，离不开遗传学、基因组学的布局。”中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌认为，这一成果创新性地应用了整个茄科的比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种，思路新颖，引领了世界马铃薯遗传育种研究，对我国种业技术创新具有重要意义。

“该研究预示着作物育种进入一个新的时代，即育种家们不能仅仅关注自己的‘一亩三分地’，更需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。”中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康说。