农科视窗(6)|杂交马铃薯问世!揭秘背后创新故事

农村大众陈建志
2021-07-05 11:30:28     来源:大众报业·农村大众客户端

最近几天,祝贺的、请教的以及索要资料的话语,通过微信、邮箱、电话接二连三拥向黄三文研究员。

作为中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员,黄三文带领团队取得的一项突破性成果,于2021年6月24日在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)在线发表:他们用马铃薯二倍体替代四倍体育种,成功培育出第一代杂交马铃薯品系“优薯1号”。

因此,依靠薯块繁殖马铃薯的历史被改写!

这项成果,凝聚着他和同事们整整16年的心血。

杂交马铃薯“优薯1号”薯块。

01

种植马铃薯7000多年

人们一直采用无性繁殖

马铃薯,位列小麦、稻谷和玉米之后,是全球第四大粮食作物,目前约有13亿人把它的块茎作为主食。

人类最早种植马铃薯的地方,是的的喀喀湖畔。这个地球上海拔最高的通航淡水湖,位于南美洲秘鲁和玻利维亚交界处。

早在7000年前,当地的印第安人就驯化了野生的马铃薯,动手种植马铃薯,并以马铃薯块茎为食。大约16世纪70年代,西班牙航海家从这里把马铃薯带回欧洲,后来逐步传遍世界。17世纪下半叶,马铃薯传入中国,至今也有300多年了。

关于土豆的“极简史”。制图:段书强

无论是在马铃薯的老家南美洲,还是在欧洲、亚洲,马铃薯的繁殖一直是以无性繁殖的方式来完成的,而不像其他种子植物那样靠种子繁殖后代。

马铃薯无性繁殖的器官是块茎。每一个块茎,都有若干个芽眼,首先用刀把它切成几块,确保每块至少带有一个芽眼,然后一块块埋入土里,几天之后,每一块便可发芽生根,长成一棵幼苗。

02

马铃薯无性繁殖

存在三大弊端

马铃薯无性繁殖的过程,看起来似乎并不复杂。然而,这与多数种子植物用种子繁殖后代的形式相比,存在三个弊端。

第一,与种子相比,马铃薯块茎鲜活、硕大,容易受到病毒侵染,把它栽到地里,将来长成的幼苗病怏怏的,植株羸弱,当然长出的薯块就变小了,产量下降了。而种子则不然,其发育过程是一个自我净化的过程,成熟的种子极少受到病毒感染。

为防止出现这种情况,生产上通常需要加一道“脱毒”的工序。即选取刚刚长出茎尖的马铃薯,切下最尖端的0.1毫米,进行组织培养。为避免被细菌或真菌污染,上述操作必须在无菌环境中进行。因为茎尖不带病毒,培养出来的幼苗也不携带病毒,把这些幼苗种植到地里,就可长出一棵棵健壮的植株。不过,给马铃薯“脱毒”,需要建立组织培养实验室、配备相关设备和科研人员,耗费巨大的物力人力。对于种植户来说,购买脱毒幼苗,增加了生产成本。

第二个弊端,是储运成本增加。直接栽植块茎,种植一亩需要 200 公斤种薯;通过块茎茎尖组织培养获得脱毒幼苗,则会增加成本。二者运输都不方便,还容易腐烂。而采用种子繁殖后代,种一亩土豆仅需 2 克种子,储藏运输成本极低。

第三,与用种子繁殖相比,用薯块繁殖系数较低。

由此可见,用杂交种子繁殖后代替代薯块繁殖,是对马铃薯产业的颠覆性创新。如果这项成果推广开来,将大幅度提升马铃薯产业链各环节的经济效益,终端消费市场将影响13亿人的生活,或许能降低他们的生活成本。

黄三文研究员在作学术报告。

03

培育杂交马铃薯

须翻越两座“大山”

传统的马铃薯育种周期较长,育成一个新品种大约需要10到15年,而且不可预测。

为缩短育种时间、把握育种方向,黄三文研究员联合云南师范大学等国内外有关单位,发起“优薯计划”。他们制定的策略是:运用基因组设计的理论和方法体系培育杂交马铃薯,用二倍体育种替代四倍体育种,并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。

业内专家都知道,马铃薯二倍体杂交育种,存在两大障碍:一是自交不亲和,即植物自花授粉后不会产生种子的现象;二是自交衰退,即生物在自交之后出现生理机能的衰退,表现为生活力下降、抗性减弱、产量降低等。

这是横亘在黄三文团队面前的两座“大山”。如何翻越?

培育自交系,首先要解决自交不亲和的问题。在前几年的研究中,黄三文团队通过基因组编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因,筛选到了S-RNase的天然突变体,并克隆了来自野生种的自交亲和基因,彻底解决了自交不亲和的问题。这些成果于2018年、2019年分别发表在《自然》(Nature)子刊上。

马铃薯作为异交作物,在长期的无性繁殖过程中,累积了大量的隐性有害突变,一旦自交之后,有害突变的不良效应便会显现出来,导致自交衰退。与自交不亲和由少数几个基因控制不同,自交衰退是由很多基因控制的,这个问题解决起来更为艰难。在前期研究过程中,黄三文团队科研人员对马铃薯自交衰退的遗传基础进行了系统解析。他们发现,导致自交衰退的有害突变镶嵌分布在马铃薯的两套基因组中,无法通过重组将它们彻底淘汰。但是,不同马铃薯中的有害突变具有个体差异性,可以通过对遗传背景差异大的自交系进行杂交来掩盖杂交种中有害突变的效应。

马铃薯杂交育种基因组设计原理图。

04

基因组设计育种获突破

杂交品系产量高品质好

在上述研究的基础上,黄三文团队发挥在基因组学研究方面的优势,提出通过基因组设计开展杂交马铃薯育种的思路,然后确定了育种流程。

据介绍,整个流程主要包括四个步骤:第一步是选择合适的起始材料,用于培育自交系;第二步是对起始材料自交群体进行遗传解析;第三步是选育自交系;第四步是选育杂种优势显著的杂交种。

日复一日,年复一年,黄三文团队坚持不懈,按照既定的目标和设计的流程攻关。如今,他们已经培育出了第一代二倍体马铃薯自交系(其纯合度超过99%)以及杂交马铃薯品系“优薯1号”。

经小区试验,结果显示,“优薯1号”杂种优势十分明显,产量较高,每亩接近3000公斤;块茎品质也不错,干物质含量高,类胡萝卜素含量也高,或蒸或煮品质极佳。

马铃薯杂交种具有显著的杂种优势。

说起来容易,做起来难。黄三文团队是从2005年开始从事这项研究的;2011年,绘出马铃薯基因组序列图;2013年,提出通过基因组设计开展杂交马铃薯育种的思路;直到2021年,才发表论文宣布:成功培育出第一代杂交马铃薯品系,取得世界领先的成果。

以前种植马铃薯每亩需要200公斤种薯,现在只需2克种子。

当然,小规模小区试验成功并非万事大吉。距离实现大规模产业化生产,还有一段路要走,尚需相关配套技术。据悉,黄三文带领团队计划用5年时间,研发完善这些技术,扫清产业化道路上的障碍。

大众报业·农村大众记者 陈建志

策划:段书强

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责任编辑:段书强    
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