研究团队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示意图。中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队供图
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很少有人知道，我们在快餐店吃的薯条几乎都来自100多年前育成的马铃薯品种——作为全球人口的主粮之一，马铃薯育种进程之缓慢可见一斑。中国科学家为此提出了“优薯计划”，目的就是让中国乃至全世界的人们吃上更高产、更优质的马铃薯（又名土豆）。
如今，这项计划迎来重大突破：中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文团队研究发明了一种“进化透镜”技术，给农业育种家一双“火眼金睛”，能够及早发现出阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”，避免育种“走错路”，让优质高产土豆更快面世。
前不久，这一最新研究成果的论文以“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”为题，发表于国际学术期刊《细胞》（Cell）。
“这项研究是马铃薯育种的里程碑式成果，从科学上和育种上讲都是非常重要的，对其他作物育种同样具有重要启示。”中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康点评说，该研究预示着作物育种进入一个新阶段，即育种家们不能仅仅关注自己的“一亩三分地”，还需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。
土豆的绿色革命
黄三文为该论文的通讯作者，据他介绍，马铃薯是最重要的块茎类粮食作物，也是我国第四大主粮作物，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。
为解决上述难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，旨在用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种，彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。
“我们有两个目标，一个是将马铃薯的育种周期由原来的10-12年缩短至3-5年，一个是繁殖系数提高1000倍。”黄三文说。
2020年11月，黄三文团队带着基因组设计育种获得的第一代二倍体马铃薯杂交种子，专程拜访了当时还在世的袁隆平院士，向他详细介绍了“优薯计划”研究取得的突破性进展。袁隆平听取汇报后十分开心，专门为“优薯计划”题词：“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新，将带来马铃薯的绿色革命”。
尽管如此，马铃薯基因组中存在的有害突变，仍然是摆在研究团队面前的一座大山。要说清楚这一问题，还要从达尔文的进化论说起。
当前地球上多种多样的物种是经历了亿万年的进化而形成的，进化过程中，物种的基因组并非一成不变，不过一些具有重要功能的位点是不会改变的，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”，把这些位点称为“进化保守位点”。
找到那些高度保守的位点，正是“优薯计划”的关键。
不选壮苗选弱苗
论文第一作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士后吴瑶瑶告诉中青报·中青网记者，团队为此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。
进化透镜，又被称为“历史透镜”，即通过生物体的进化历史快速、有效地鉴定并定量进化保守位点，其最长横跨8000万年进化历史，累计达12亿年。团队利用该技术鉴定出1700万个高度保守的位点，其中36%位于先前被认为没有功能的非编码区域。
“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。”吴瑶瑶说，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。
团队利用这些保守位点信息，结合马铃薯群体的信息，构建了马铃薯有害突变二维图谱，将人们对马铃薯基因组的认知从一维的线的认识升级到二维的面的认识。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，选择生长更加健壮的马铃薯作为自交系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。
“这一‘不选壮苗选弱苗’的反直觉规律，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。”黄三文说。
种业创新“皇冠上的明珠”
黄三文告诉记者，借助该图谱，团队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，让人们更快地享受到更好的马铃薯品种。
评审专家认为，该成果可以更好地指导马铃薯育种决策，加速马铃薯育种进程，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。
“如何将块茎繁殖的四倍体马铃薯，变革为种子繁殖的二倍体杂交马铃薯，是马铃薯产业的世界性难题，也是种业创新‘皇冠上的明珠’。”中国农业科学院党组书记杨振海说，“优薯计划”团队相继破解了马铃薯基因组解析、自交不亲和、自交衰退等重大难题，培育出第一代自交系材料及杂交种，相关成果均已在国际顶尖学术期刊发表，如今又为马铃薯育种亲本选择及品种改良提供新的科学依据。这些原创性基础性科研成果既得到了国内外同行的高度认可，也为加快实现二倍体杂交马铃薯育种奠定了坚实基础。
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。
中国科学院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员钱前说，这项研究基于茄科植物进化基因组学，开发进化透镜技术，鉴定了马铃薯基因组上的有害突变，并将其应用到解决马铃薯育种难题中，大幅地提高马铃薯全基因组预测效率，这将实现杂交马铃薯育种的早期决策，加速育种进程，通过剔除有害变异和聚合有益变异的策略，有望在短期内通过基因组设计创建更多高产优质杂交马铃薯。
“我们农业育种离不开大数据，离不开遗传学、基因组学的布局。这一最新成果即便在国际上也是独树一帜的。”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说，研究团队敏锐地捕捉并完成了这一前沿并具挑战性的工作，创新性地应用了比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种，对我国种业技术创新具有重要意义。
中青报·中青网记者 邱晨辉 来源：中国青年报
