给马铃薯育种一双“火眼金睛” 我国马铃薯育种率先进入了基因组设计育种新时代

人民政协网北京5月5日电（记者 王硕 高志民）您可能不知道，你在肯德基和麦当劳吃的薯条都来自120年前育成的马铃薯品种。马铃薯对全球粮食安全有重要意义，然而，经过120余年的发展，马铃薯仍面临着品种更新慢、易受病虫害威胁、储运成本高等问题。

5月4日，顶尖学术期刊《细胞》报道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，题为“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（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”，及早发现了阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”（科学家称之为“有害突变”），绘制了首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱，能够避免育种“走错路”，让大家能够更快吃上更优质的高产土豆。成果标志着我国马铃薯育种已经领先全球，率先进入了基因组设计育种新时代，为下一步指导自交系育种起始材料选择及品种改良提供了新依据。

这一技术最核心的理论，要从达尔文的进化论说起。

如今地球上多种多样的物种是经历了亿万年的进化而形成的，在进化过程中物种的基因组并不是一成不变的。但是，一些具有重要功能的位点是不会改变的，对物种的生存极为重要。研究人员称这一现象为进化约束（evolutionary constraint），把这些位点称为进化保守位点，找到这些高度保守的位点是马铃薯育种的关键。

为此，研究团队收集了大量茄科物种资源，完成了38个茄科基因组的组装，并利用大数据技术，将100个茄科物种的基因组进行比较，最终开发出新的进化透镜技术，又称之为“历史透镜（最长横跨8000万年进化历史，累计达12亿年）”，快速、有效地鉴定并定量进化保守位点。

该团队利用该技术鉴定出17M高度保守的位点，其中36%位于先前没有被功能注释的非编码区域。这些位点如果这些位点发生了突变，有可能对马铃薯造成繁殖力下降、生活力降低、产量减少等不良影响（研究人员称为有害突变）。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结果，从而快速创建更多优良马铃薯自交系。

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，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，让广大人民群众更快地享受到更好的马铃薯品种。

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指出，这项研究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。

中国科学院院士、中科院植物所研究员种康表示，这项研究是马铃薯育种的里程碑式成果，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、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋认为，这一研究成果不仅对马铃薯，还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。

该研究成果由中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下简称“基因组所”）研究员黄三文为通讯作者，基因组所博士后吴瑶瑶、博士后李大伟、硕士生胡勇为该论文的共同第一作者，同时得到了来自英国、美国、瑞士、德国等多个国家地区的科研专家指导。

该研究是中国农科院等单位发起的“优薯计划”中的一项重要成果。该计划旨在利用基因组学的方法简化马铃薯基因组（即用二倍体马铃薯替代四倍体马铃薯），缩短马铃薯的育种周期，由原来的10～12年缩短至3～5年；使用杂交种子替代薯块繁殖，将繁殖系数提高1000倍，极大地降低种植、储存、运输成本，让中国乃至全世界的人们吃上更高产、更优质的马铃薯，引领马铃薯产业的“绿色革命”

据了解，传统栽培马铃薯是同源四倍体，基因组复杂，导致马铃薯改良的进程非常缓慢。例如，具有121年历史的“Russet Burbank”品种至今仍是市场上的主栽品种。但该品种容易感染晚疫病、枯萎病等多种常见的病害，导致种植过程中需要药物参与。同时目前马铃薯的种植方式是使用薯块进行种植，薯块易携带病虫害，并且运输及储存成本高。

为了解决马铃薯产业面临的难题，黄三文研究员联合国内外优势单位发起了“优薯计划” ，近年来已陆续取得多种成果。黄三文团队先后解析了单倍体、二倍体及四倍体马铃薯基因组（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了马铃薯自交不亲和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了马铃薯演化及薯块演化的规律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遗传基础（Nature Genetics, 2019），通过剔除极大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种（Cell，2021; JIPB，2022）。尽管如此，马铃薯基因组中存在的有害突变仍然是个大问题。本研究利用进化基因组学，开创了进化透镜鉴定有害突变的新技术，提出了高度纯合自交系起始材料反直觉选择的新依据，开发了全基因组预测农艺性状的新策略，标志着我国在马铃薯育种理论和技术上站在了世界领先地位。