您可能不知道，你在肯德基和麥當(dāng)勞吃的薯?xiàng)l都來(lái)自120年前育成的馬鈴薯品種。馬鈴薯對(duì)全球糧食安全有重要意義，然而，經(jīng)過(guò)120余年的發(fā)展，馬鈴薯仍面臨著品種更新慢、易受病蟲害威脅、儲(chǔ)運(yùn)成本高等問(wèn)題。
5月4日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》報(bào)道了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，題為“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種）”。該研究發(fā)明了一種新的“進(jìn)化透鏡”技術(shù)，給育種家一雙“火眼金睛”，及早發(fā)現(xiàn)了阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”（科學(xué)家稱之為“有害突變”），繪制了首個(gè)包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，能夠避免育種“走錯(cuò)路”，讓大家能夠更快吃上更優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)土豆。成果標(biāo)志著我國(guó)馬鈴薯育種已經(jīng)領(lǐng)先全球，率先進(jìn)入了基因組設(shè)計(jì)育種新時(shí)代，為下一步指導(dǎo)自交系育種起始材料選擇及品種改良提供了新依據(jù)。
這一技術(shù)最核心的理論，要從達(dá)爾文的進(jìn)化論說(shuō)起。
如今地球上多種多樣的物種是經(jīng)歷了億萬(wàn)年的進(jìn)化而形成的，在進(jìn)化過(guò)程中物種的基因組并不是一成不變的。但是，一些具有重要功能的位點(diǎn)是不會(huì)改變的，對(duì)物種的生存極為重要。研究人員稱這一現(xiàn)象為進(jìn)化約束（evolutionary constraint），把這些位點(diǎn)稱為進(jìn)化保守位點(diǎn)，找到這些高度保守的位點(diǎn)是馬鈴薯育種的關(guān)鍵。
為此，研究團(tuán)隊(duì)收集了大量茄科物種資源，完成了38個(gè)茄科基因組的組裝，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將100個(gè)茄科物種的基因組進(jìn)行比較，最終開發(fā)出新的進(jìn)化透鏡技術(shù)，又稱之為“歷史透鏡（最長(zhǎng)橫跨8000萬(wàn)年進(jìn)化歷史，累計(jì)達(dá)12億年）”，快速、有效地鑒定并定量進(jìn)化保守位點(diǎn)。
該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)鑒定出17M高度保守的位點(diǎn)，其中36%位于先前沒有被功能注釋的非編碼區(qū)域。這些位點(diǎn)如果這些位點(diǎn)發(fā)生了突變，有可能對(duì)馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產(chǎn)量減少等不良影響（研究人員稱為有害突變）。有了圖譜，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中有害突變，篩選好的育種材料，預(yù)測(cè)馬鈴薯產(chǎn)量等表型。
根據(jù)進(jìn)化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)育種過(guò)程中，使用生長(zhǎng)更加健壯的馬鈴薯作為自交系的起始材料的做法可能會(huì)南轅北轍，可能會(huì)導(dǎo)致在選育過(guò)程中子代從父母本中獲得更多有害突變反而不利于馬鈴薯的自交系構(gòu)建。相反，生長(zhǎng)較弱的馬鈴薯遺傳給予代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。這個(gè)結(jié)果不僅顛覆了以往的認(rèn)知，而且還能夠提早2-3年預(yù)測(cè)馬鈴薯的自交系育種結(jié)果，從而快速創(chuàng)建更多優(yōu)良馬鈴薯自交系。
研究人員利用該圖譜還開發(fā)了一個(gè)新的預(yù)測(cè)模型，科學(xué)家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前預(yù)測(cè)馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，讓廣大人民群眾更快地享受到更好的馬鈴薯品種。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌指出，這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地應(yīng)用了整個(gè)茄科的比較基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)來(lái)指導(dǎo)馬鈴薯育種，思路新穎，引領(lǐng)了世界馬鈴薯遺傳育種研究，對(duì)我國(guó)種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院院士、中科院植物所研究員種康表示，這項(xiàng)研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預(yù)示著作物育種進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即育種家們不能僅僅關(guān)注自己的“一畝三分地”，更需要從一個(gè)更大的進(jìn)化維度思考育種的新策略。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋認(rèn)為，這一研究成果不僅對(duì)馬鈴薯，還將會(huì)對(duì)糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用。
該研究成果由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡(jiǎn)稱“基因組所”）研究員黃三文為通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士生胡勇為該論文的共同第一作者，同時(shí)得到了來(lái)自英國(guó)、美國(guó)、瑞士、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家地區(qū)的科研專家指導(dǎo)。
該研究是中國(guó)農(nóng)科院等單位發(fā)起的“優(yōu)薯計(jì)劃”中的一項(xiàng)重要成果。該計(jì)劃旨在利用基因組學(xué)的方法簡(jiǎn)化馬鈴薯基因組（即用二倍體馬鈴薯替代四倍體馬鈴薯），縮短馬鈴薯的育種周期，由原來(lái)的10～12年縮短至3～5年；使用雜交種子替代薯塊繁殖，將繁殖系數(shù)提高1000倍，極大地降低種植、儲(chǔ)存、運(yùn)輸成本，讓中國(guó)乃至全世界的人們吃上更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯，引領(lǐng)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”
據(jù)了解，傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復(fù)雜，導(dǎo)致馬鈴薯改良的進(jìn)程非常緩慢。例如，具有121年歷史的“Russet Burbank”品種至今仍是市場(chǎng)上的主栽品種。但該品種容易感染晚疫病、枯萎病等多種常見的病害，導(dǎo)致種植過(guò)程中需要藥物參與。同時(shí)目前馬鈴薯的種植方式是使用薯塊進(jìn)行種植，薯塊易攜帶病蟲害，并且運(yùn)輸及儲(chǔ)存成本高。
為了解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的難題，黃三文研究員聯(lián)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃” ，近年來(lái)已陸續(xù)取得多種成果。黃三文團(tuán)隊(duì)先后解析了單倍體、二倍體及四倍體馬鈴薯基因組（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了馬鈴薯自交不親和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了馬鈴薯演化及薯塊演化的規(guī)律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)（Nature Genetics, 2019），通過(guò)剔除極大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種（Cell，2021; JIPB，2022）。盡管如此，馬鈴薯基因組中存在的有害突變?nèi)匀皇莻€(gè)大問(wèn)題。本研究利用進(jìn)化基因組學(xué)，開創(chuàng)了進(jìn)化透鏡鑒定有害突變的新技術(shù)，提出了高度純合自交系起始材料反直覺選擇的新依據(jù)，開發(fā)了全基因組預(yù)測(cè)農(nóng)藝性狀的新策略，標(biāo)志著我國(guó)在馬鈴薯育種理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。
