千百年來，馬鈴薯的生產都依靠薯塊進行無性繁殖，導致繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害;中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊最新研究成果一舉顛覆了這一現象，即應用“基因組設計”理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。這一馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術，北京時間6月24日23時在線發表于國際頂級學術期刊《細胞(Cell)》，這是“優薯計劃”實施以來取得的里程碑式突破。

該篇《雜交馬鈴薯的基因組設計》(Genome design of hybrid potato)論文第一作者、中國農科院深圳基因組所研究員張春芝介紹，俗稱“土豆”的馬鈴薯是世界最重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口以馬鈴薯為主食。但與谷物類糧食作物不同，普通栽培馬鈴薯是依靠薯塊進行無性繁殖的同源四倍體物種。由于四倍體遺傳的復雜性，馬鈴薯的遺傳改良進程緩慢，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，至今仍是美國的第一大品種。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的，至今已經種植了60多年。

目前，二倍體育種已經成為全球馬鈴薯研究領域熱點，荷蘭(Lindhout et al., Potato Research, 2011)、中國(黃三文等，中國馬鈴薯，2013)和美國(Jansky et al., Crop Science, 2016)等國科學家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作。但要實現二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個關鍵障礙：自交不親和與自交衰退。

張春芝解釋，自交不親和是指植物自花授粉后不會產生種子的現象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和問題。在前期研究中，黃三文團隊通過基因組編輯技術敲除了控制馬鈴薯自交不親和的S-RNase基因(Ye et al., Nature Plants, 2018)，篩選到了S-RNase的天然突變體(Zhang et al., Nature Genetics, 2019)，并克隆了來自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和問題。

“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、產量降低等”。張春芝表示，馬鈴薯作為異交作物，在長期的無性繁殖過程中，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顯現出來，導致自交衰退。與自交不親和由少數幾個基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更難克服。荷蘭科學家在2011年就公布了雜交馬鈴薯的進展，但是10年之后仍然面臨自交系純度較低的問題，限制了大規模商業化推廣，“主要就是因為無法克服自交衰退的問題”。

黃三文團隊前期對馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎進行了系統解析。研究發現，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，無法通過重組將它們徹底淘汰(Zhou et al., Nature Genetics, 2020)。但是，不同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性，可以通過對遺傳背景差異大的自交系進行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應(Zhang et al., Nature Genetics, 2019)。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題，必須借助基因組大數據開展設計育種，才能有效地淘汰有害突變。

在此基礎之上，黃三文團隊憑借基因組學研究方面的優勢，利用基因組大數據進行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種“四步法”流程：第一步，用于培育自交系的起始材料的選擇，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，確定大效應有害等位基因和優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，并聚合優良等位基因，尤其是要打破大效應有害突變和優良等位基因之間的連鎖;最后一步，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行雜交，獲得雜種優勢顯著的雜交種。

通過“四步法”，該團隊已經培育出第一代高純合度(>99%)二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優薯1號”。小區試驗顯示“優薯1號”產量接近3噸/畝，具有顯著的產量雜種優勢。同時，“優薯1號”具有高干物質含量和高類胡蘿卜素含量特點，蒸煮品質佳。

“優薯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”袁隆平院士在聽取該項研究介紹之后，題詞評價：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術是顛覆性創新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

黃三文為該論文通訊作者，張春芝為第一作者;此外，中國農科院深圳基因組所和云南師范大學多位科研人員也為該研究做出重要貢獻。(記者 瞿劍)