2021年6月24日23時，國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了題為“雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計”的論文，報道了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊在雜交馬鈴薯育種領(lǐng)域的研究成果，這是“優(yōu)薯計劃”實施以來取得的里程碑式突破。
馬鈴薯是世界上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。與谷物類糧食作物不同，栽培馬鈴薯是依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種。黃三文告訴記者，由于四倍體遺傳的復(fù)雜性，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。
比如，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(jīng)種植了60多年。馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的另外一個挑戰(zhàn)是薯塊的繁殖系數(shù)低、儲運成本高、易攜帶病蟲害。
在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下，中國農(nóng)科院基因組所黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，即運用“基因組設(shè)計”的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，旨在徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題。這被認(rèn)為是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。
2020年11月，黃三文團(tuán)隊帶著第一代基因組設(shè)計育種獲得二倍體馬鈴薯雜交種子，專程拜訪了“雜交水稻之父”袁隆平院士，向他詳細(xì)介紹了“優(yōu)薯計劃”研究取得的突破性進(jìn)展。袁隆平聽取匯報后十分開心，專門為“優(yōu)薯計劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。
黃三文說，目前，二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯界的研究熱點，荷蘭、中國和美國等國的科學(xué)家紛紛呼吁開展開展二倍體的研究和育種工作。要實現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服兩個關(guān)鍵障礙：自交不親和與自交衰退。
自交不親和是指植物自花授粉后不會產(chǎn)生種子的現(xiàn)象。要培育自交系，首先需要解決自交不親和的問題。在前期研究中，黃三文團(tuán)隊通過基因組編輯技術(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，并克隆了來自野生種的自交親和基因，解決了自交不親和的問題。
自交衰退是指生物在自交之后出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退，表現(xiàn)為生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低等。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(yīng)便會顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致自交衰退。
黃三文說，與自交不親和由少數(shù)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(xué)家在2011年就公布了雜交馬鈴薯的進(jìn)展，但是10年之后依然面臨自交系純度較低的問題，限制了大規(guī)模商業(yè)化推廣，主要就是因為無法克服自交衰退的問題。
前期，黃三文團(tuán)隊對馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)解析。他們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)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。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(jìn)行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應(yīng)。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，必須借助于基因組大數(shù)據(jù)開展設(shè)計育種，才能有效地淘汰有害突變。
在此基礎(chǔ)之上，黃三文團(tuán)隊借助在基因組學(xué)研究方面的優(yōu)勢，利用基因組大數(shù)據(jù)進(jìn)行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設(shè)計育種流程。目前，該團(tuán)隊已經(jīng)培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。小區(qū)試驗顯示“優(yōu)薯1號”的產(chǎn)量接近3噸/畝，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。同時，“優(yōu)薯1號”具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點，蒸煮品質(zhì)佳。
來自中國農(nóng)科院的消息稱，“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。黃三文為該論文的通訊作者，張春芝為第一作者。
