[中国之声] 我国科学家开发“进化透镜”技术，助力马铃薯育种走上快车道

大家知道吗？我们在快餐店吃的薯条都来自120年前育成的一个马铃薯品种。马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，是全球13亿人口的主要粮食来源，也是我国第四大主粮作物。马铃薯具有产量高、用水少、可种植地域广等优点，但它的育种进程却十分缓慢。为此，我国科学家提出了“优薯计划”，目的就是让人们吃上更高产、更优质的马铃薯。

如今，“优薯计划”实现了新突破，迎来了育种新利器。近期，国际学术期刊《细胞》发表了188bet平台app官方深圳农业基因组研究所黄三文团队的一项最新研究成果，国际学术期刊《自然》也专门发表文章，对这一成果进行了高度点评。该研究发明了“进化透镜”技术，通过绘制首个马铃薯“有害突变二维图谱”，能够给育种家一双“火眼金睛”，帮助他们及早发现阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”，避免育种“走错路”，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。那么究竟什么是“进化透镜”？这一育种新利器将如何助力我国杂交马铃薯育种走上快车道，让大家能够更快吃上更优质的高产土豆？

马铃薯营养全面，富含碳水化合物、膳食纤维和维生素，在国际上是13亿人、125个国家的主粮，也是我国第四大主粮作物，对全球粮食安全具有重要意义。与此同时，在种植方面，马铃薯具有产量高、用水少、可种植地域广等优点。然而，由于传统栽培马铃薯是同源四倍体，基因组复杂，导致育种进程十分缓慢。此外，薯块无性繁殖还面临着繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。

文章共同第一作者、188bet平台app官方深圳农业基因组研究所黄三文团队的博士后吴瑶瑶：我们在快餐店吃的薯条其实是120年前育成的品种，马铃薯的育种是非常困难的，这么多年育种家也没能选育出来一个品种替代它。马铃薯繁殖系数很低，我们每生产10个土豆只能留下9个，因为有一个需要作为下一季的种薯，算下来每亩地需要200公斤种薯。种薯繁殖有两个非常明显的缺陷，一是它价格贵，二是种薯不是每个地方都能生产的，只能在一些冷凉的地方，像内蒙古、云南、贵州等。而且在储藏和运输过程中，非常容易感染各种病虫害。我们所收获的马铃薯中大概有13%直接损耗掉了，这是一个巨大的浪费。

为了解决这一系列难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，吴瑶瑶介绍，“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，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。

吴瑶瑶：“优薯计划”有两个目标，一个是利用基因组学的方法去简化马铃薯的基因组，现在的商业马铃薯是四倍体，有4套基因组，太过于复杂了，用二倍体代替四倍体，就可以缩短马铃薯的育种周期，把原来10—12年的育种周期缩短到3—5年。第二个就是用种子去替代薯块的繁殖，把繁殖系数提高1000倍，降低种植的成本。马铃薯的种子体积非常小，它的重量只有芝麻的1/6，种一亩地我们需要200公斤的薯块，如果用种子的话只需要两克。而且种子也比薯块耐储存、干净很多，不太会容易传播病虫害。

最近，“优薯计划”又取得了新进展，开发出“进化透镜”技术，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进化成的，在进化过程中物种的基因组序列并不是一成不变的。但是，一些具有重要功能的序列是不能改变的，它们会在进化过程中保留在不同物种中，研究人员称这一现象为“进化约束”，把这些不变的序列称为“进化保守位点”，找到这些高度保守的位点以及哪些位点在马铃薯中发生了突变，是“优薯计划”的关键。吴瑶瑶说，“进化透镜”技术就是通过生物体的进化历史，快速有效地对“进化保守位点”进行鉴定和定量。

吴瑶瑶：为了让马铃薯基因组中受到进化约束的这些位点浮现出来，我们就需要去追踪一个足够长的进化历史。我们收集了大量茄科的物种资源，完成了38个茄科基因组的从头组装，利用大数据技术，将100个茄科及旋花科材料（92个物种）的基因组进行比较，去追踪这些材料，最长进化时间有8000万年，累计有12亿年的进化历史，我们就可以鉴定出哪些位点是不能改变的。打一个比方，就如同是一道白光透过三棱镜的时候，根据波长的不同，它可以分出七色的单色光一样，马铃薯基因组透过进化，我们就可以把对马铃薯生长发育非常重要的位点给区分出来。

吴瑶瑶进一步解释，这些位点在亿万年的进化过程中都很难发生改变，说明它们对马铃薯的生存是极为重要的。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，也就是产生“有害突变”。于是，研究人员根据“进化透镜”解析出马铃薯的“有害突变二维图谱”，有了这个“宝典”，马铃薯育种家就可以精确剔除马铃薯中存在的有害突变，在早期筛选好的育种材料。

吴瑶瑶：事实上育种是一个选优去劣的过程，育种家在选择高产优质等有益基因上有很多方法，但是淘汰有害基因的工具还不太够。“有害突变二维图谱”是我们首次构建的马铃薯有害突变的全景图。它包含两个维度，一个是基因型维度，判断是不是有害突变，另一个是有害突变程度，测量它到底影响有多大，这样不仅可以对有害突变进行定性，还可以进行定量。我们就可以在早期的时候选择好的材料，淘汰掉不好的材料，然后将整个育种的效率提高50%以上。

“进化透镜”技术就好比给了育种家一双“火眼金睛”，只需要幼苗期DNA，就可以提前2—3年预测这个育种材料是否是好的马铃薯育种起始材料，也可以在幼苗期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。吴瑶瑶表示，这项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。

吴瑶瑶：我们目前已经跟云南师大、云南农科院和广东农科院等多家单位开展了密切的合作，推进整个杂交马铃薯的育种。我们预计3—5年之内可以至少产生2—3个优良的品系，在现有的基础上，产量和抗病性有一个大幅度的提升。构建高度纯合的自交系，是杂交马铃薯育种最关键的一个步骤。接下来我们就会根据本次研究构建的二维图谱，还有自交系起始材料预测模型、表型预测模型，指导我们培育更多的自交系，然后聚合这些自交系中的产量、品质、抗性等优良基因，去淘汰掉那些有害突变，可以快速培育出高产优质的马铃薯品种。另外，我们同步也在建立杂交马铃薯种子的配套栽培技术体系，然后为下一步的产业化提供技术基础。