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马铃薯育种实现颠覆性突破 第一代基因组设计的杂交马铃薯问世!

发布时间:2022-05-04 13:18:18 点击量:

  马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物,全球有13亿人口以马铃薯为主食,是全球第三大主粮,也是中国的第四大主粮。但是千百年来,它的生产都依靠薯块进行无性繁殖,导致繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害……近年来,我国科学家们正在开展一项“优薯计划”来改变这一状况。

  近日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所(简称基因组所)黄三文团队最新研究成果实现了颠覆性创新,第一代基因组设计的杂交马铃薯问世,用二倍体育种替代四倍体育种,用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。6月24日,国际学术期刊《细胞》在线发表了题为“Genome design of hybrid potato(杂交马铃薯的基因组设计)”的研究成果。这标志着“优薯计划”实施以来取得了里程碑式突破。

  与其他粮食作物不同,马铃薯是进行无性繁殖的同源四倍体物种。什么是四倍体呢?论文第一作者、基因组所张春芝研究员告诉记者:通俗地说,就是有四套基因组。我们人类是二倍体物种,遗传比较简单,而四倍体物种就比较复杂,无论是做育种还是做研究,挑战都非常大。

  马铃薯遗传的复杂性,导致育种过程非常缓慢,全世界还有上百年的老品种仍在大面积种植。比如,美国的薯条加工型品种Russet Burbank,是1902年育成的,至今仍是美国的第一大品种。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的,至今已经种植了60多年。此外,马铃薯不靠种子繁殖,而是靠薯块进行无性繁殖,也导致了产业面临着更多难题。

  为了彻底解决马铃薯产业面临的问题,在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下,基因组所黄三文研究员联合云南师范大学等国内外优势单位发起了“优薯计划”,即运用“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。这是马铃薯育种和繁殖的新底层技术,是对马铃薯产业的颠覆性创新。

  二倍体育种已经成为全球马铃薯界的研究热点,各国科学家纷纷呼吁开展二倍体的研究和育种工作。基因组所所长黄三文样研究员告诉记者,要实现二倍体杂交马铃薯育种,需克服两个关键障碍:自交不亲和与自交衰退。

  黄三文说:“马铃薯自交不亲和,也就是马铃薯自花授粉后不会产生种子的问题。我们通过材料筛选和基因编辑,彻底解决了马铃薯靠种子自身繁育的问题。同时我们又发现了导致植株长势弱、产量降低等表现的有害突变位点。我们通过‘基因组设计’,淘汰有害突变、聚合优良基因,最终解决了自交衰退的问题,选育出具有显著杂种优势的‘优薯1号’品系。”

  2020年11月,在云南省德宏州盈江县,“优薯1号”进行了小区试验。今年2月,马铃薯成熟采收后测产,第一代新品种马铃薯的种植效果远超预期。张春芝表示:“当地最好的马铃薯品种每亩产量也就3吨左右,十多年来产量没有明显提升。而第一代杂交的马铃薯亩产就接近了3吨,以前种植一亩马铃薯需要200公斤种薯,而现在用种子只需要2克,种植成本大大降低。”除了种植成本降低, “优薯1号”的品质也很好,具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点。

  张春芝说:“以前在四倍体水平上进行的马铃薯育种,每一次杂交都是对四套基因组的重排,育种结果不可预测。现在利用杂交马铃薯育种体系,育种家可以利用现代育种技术在已有自交系的基础上进行定向改良,选择配制最佳的组合。” “优薯1号”选育的成功,证明了杂交马铃薯育种的体系是可行的,预示着马铃薯育种即将进入一个快速迭代的过程。据介绍,目前,“优薯1号”的抗病性还较差,但利用杂交育种技术,可以实现品种的快速迭代,在较短时间内提高“优薯1号”的抗病性。下一步,科研团队还将加强大规模杂交制种、种子育苗移栽等技术研发,为马铃薯种子的产业化推广做准备。

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