作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/25 8:36:09
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国内外专家点评第一代基因组设计的杂交马铃薯

 

北京时间2021年6月24日晚23时,《细胞》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所(以下称“基因组所”)黄三文团队完成的论文——“杂交马铃薯的基因组设计”,这是“优薯计划”实施以来取得的里程碑式突破。

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。与谷物类粮食作物不同,栽培马铃薯是依靠薯块进行无性繁殖的同源四倍体物种。

由于四倍体遗传的复杂性,马铃薯的遗传改良进程缓慢,一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植。

马铃薯产业面临的另外一个挑战是薯块的繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害。

为了彻底解决马铃薯产业面临的问题,黄三文团队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。

马铃薯果实和种子。农科院基因组所供图

黄三文告诉《中国科学报》,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。

自交不亲和是指植物自花授粉后不会产生种子的现象。要培育自交系,首先需要解决自交不亲和的问题。在前期研究中,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(Ye et al., Nature Plants, 2018),筛选到了S-RNase的天然突变体(Zhang et al., Nature Genetics, 2019),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。

自交衰退是指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。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,自交衰退涉及很多基因,也更难克服。

前期,黄三文团队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(Zhou et al., Nature Genetics, 2020)。

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(Zhang et al., Nature Genetics, 2019)。这些研究表明,基于表型选择的育种策略,难以克服自交衰退的问题,必须借助于基因组大数据开展设计育种,才能有效地淘汰有害突变。

论文第一作者、基因组所研究员张春芝告诉《中国科学报》,在此基础之上,他们借助在基因组学研究方面的优势,利用基因组大数据进行育种决策,建立了杂交马铃薯基因组设计育种流程,主要包括四个环节:

(1)选择用于培育自交系的起始材料,选择标准是起始材料的基因组杂合度较低和有害突变数目较少;

(2)对起始材料自交群体进行遗传解析,根据全基因组偏分离分析和表型评价,确定大效应有害等位基因和优良等位基因在基因组中的分布;

(3)选育自交系,根据前景和背景选择淘汰大效应的有害突变,并聚合优良等位基因,尤其是要打破大效应有害突变和优良等位基因之间的连锁;

(4)选育杂交种,根据基因组测序结果,选择基因组互补性较高的自交系进行杂交,获得杂种优势显著的杂交种。

第一代二倍体马铃薯杂交种具有显著的杂种优势。中国农科院基因组所供图

利用上述流程,该团队已经培育出了第一代高纯合度(>99%)二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。

小区试验显示,“优薯1号”的产量接近3吨/亩,具有显著的产量杂种优势。同时,“优薯1号”具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点,蒸煮品质佳。

适合蒸煮的优薯1号。农科院基因组所供图

“优薯1号”的成功选育证明了杂交马铃薯育种的可行性,使马铃薯遗传改良进入了快速迭代的轨道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006

 

《中国科学报》就此成果采访了国内外专家,以飨读者。

 

中国科学院院士、北京大学原校长许智宏:

孕育着马铃薯育种史的一次革命

《中国科学报》:马铃薯作为一种薯类粮食作物,在我国粮食生产中的地位如何?和水稻小麦玉米等主粮作物相比,马铃薯的育种进展比较缓慢,这是什么原因造成的?

许智宏:马铃薯因其高产而且营养丰富,又适于加工成各种不同的产品,已成为我国第四大粮食作物。但和水稻、小麦和玉米等主粮作物相比,马铃薯的育种进展比较缓慢。原因是栽培马铃薯是依靠薯块进行无性繁殖的同源四倍体物种。四倍体马铃薯基因组高度杂合,这给遗传分析带来不少困难,而且还有很多有害突变隐藏在四套基因组中,很难通过遗传重组进行淘汰,这是马铃薯育种进展缓慢的主要原因。

《中国科学报》:杂交马铃薯育种技术的出现对马铃薯品种的改良会产生什么影响?

许智宏: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,用杂交一代种子繁殖马铃薯,也避免原代种薯感染病毒,使马铃薯育种进入快速迭代的时代。

这一工作孕育着马铃薯育种历史上的一次革命!

《中国科学报》:在这项工作中,采用了基因组设计育种。您认为基因组设计对农作物育种有什么影响?

许智宏:基因组是一个物种遗传信息的载体。有了基因组数据的帮助,科学家可以前所未有的速度解析一个物种基因组所隐藏的各种信息。

在农业育种领域,基因组测序一方面帮助科研人员挖掘了大量的控制各种农艺性状的基因,为作物改良提供靶点;另一方面也产生了很多新的育种技术,如背景选择、基因组预测等,结合一些先进的基因操作技术,加快了育种速度。这也奠定了当前科学家提出人工分子设计育种(或精准设计育种)的基础。

《中国科学报》:从目前杂交马铃薯的产量和品质来看,马铃薯杂交种子真正实现产业化还有哪些问题要解决?大概还需要多长时间?

许智宏:据我所知,目前第一代二倍体马铃薯杂交种的产量和品质还是不错的,如果要产业化的话,还需要解决一些生产上的问题,比如大规模杂交制种、种子育苗移栽等。时间上不光要考虑科研人员的进展,还要考虑到种植者的接受程度,我觉得5到10年可能是一个比较合理的预期。

 

国际著名马铃薯专家、荷兰瓦赫宁根大学教授Evert Jacobsen:

杂交马铃薯将实现快速的品种改良

《中国科学报》:马铃薯用种子繁殖将会带来什么益处?为什么科学家会关注马铃薯的杂交种子问题?

Jacobsen:来自马铃薯品种的营养繁殖的块茎必须首先在田间扩繁。起始材料是健康的薯块。扩繁过程中最大的风险之一是病毒感染。因此最好是在无毒条件下繁殖种薯。这些地方并不容易找到。整个繁殖系统的基础是将病毒感染保持在低水平。

另一个缺点是种薯在其他地方繁殖,而不是在商品薯的种植地。因此,通过陆运或者海运运输大量种薯需要花费大量时间、金钱和精力。

F1杂交马铃薯品种的种子很小,可以直接邮寄。马铃薯中几乎所有的病毒病都不是通过种子传播的,这是一个主要优势。

不过,二倍体 F1 杂交品种的一个重要问题是,与四倍体相比,二倍体对不同环境情况的适应能力可能会降低。不久的将来可以确认这种担忧是否存在。

《中国科学报》:Cell杂志这次发表的论文,您认为对于科学界和农业产业界来说,分别有什么意义?

Jacobsen:Cell 论文很重要,因为它证明可以快速获得不同二倍体马铃薯品系的高度纯合性。许多有害等位基因可以通过分子选择快速去除,并且可以选育到和经典品种产量差不多的F1杂种优势组合。

下一步是开发更多具有重要性状的自交系,并通过渐渗抗逆或者品质相关的基因来改良现有自交系。这意味着可以通过基因渐渗育种对现有的优质F1杂交种进行更多农艺性状的改良。

 

英国皇家学会会员、塞恩斯伯里实验室(Sainsbury)教授Sophien Kamoun:

在本质上彻底改造了马铃薯

《中国科学报》:您如何评价中国农业科学家对杂交马铃薯育种这项成果?

Kamoun:黄三文研究员及其团队的工作在本质上彻底改造了马铃薯。他们几乎是从零开始重新改造了这个作物。他们利用以前生产上很少用到的一些品种,将它们进行杂交,重新创造了马铃薯。

他们之所以能做到是因为他们掌握了基因组学最前沿的进展,这使得他们可以用很低的成本但是非常高效地淘汰马铃薯的有害突变。该研究在通过对马铃薯进行快速且低成本的基因组测序以清除有害突变方面做得非常出色。

这项研究改变了马铃薯育种的游戏规则。我对此感到非常兴奋。

《中国科学报》:目前马铃薯晚疫病是全世界马铃薯产业的顽疾,您认为未来解决马铃薯晚疫病问题的出路在哪里?杂交马铃薯种子的出现是否能为此提供一个新路径?

Kamoun:确实,马铃薯晚疫病是一种非常具有破坏性的病害。培育抗病品种是一种可持续的解决方案。我们的梦想是将马铃薯变成这种疾病的非宿主。杂交马铃薯技术将通过加速抗性品种的传统育种或通过生物技术方法引入晚疫病抗性基因来促进这一目标的实现。这两种方法都受益于杂交马铃薯技术。

另一种看待这个问题的角度是将马铃薯晚疫病抗性基因的利用看作是“疫苗接种”。本质上,我们已经有了疫苗(抗病基因),但将它们输送到马铃薯中很复杂。杂交马铃薯技术可以极大地加快抗病基因的输入,因为它提供了一种全新的育种方法。

 

国际马铃薯中心亚太中心主任卢肖平:

给马铃薯产业带来革命性变化

《中国科学报》:国际马铃薯中心为什么要关注和参与马铃薯杂交种子的研究?

卢肖平:作为一个全球性的研发机构,国际马铃薯中心是国际农业磋商组织的成员之一。我们一直在关注新技术的突破及其在研发和生产中的利用情况。水稻等农作物在采用杂交技术后使得产量大规模增长。这让我们思考,马铃薯育种中能不能利用类似技术提高产量,同时提高品质适应市场的多元化需求。这在以前是很难实现的。

《中国科学报》:杂交种子在实验田的完成对于产业界将会产生什么影响?未来何时可以实现产业化?还有哪些问题需要解决?

卢肖平:马铃薯杂交种子的大规模应用将可能会给马铃薯产业发展带来一场革命性的变化。

现在马铃薯生产依靠种薯,运输和储藏成本很大。改为种子繁殖的话,这部分成本会大大削减,并给产业界带来很多便利。

用种子播种的生产方式进行大规模生产,也会对马铃薯的生长季长短产生影响和变化,进而影响和其他作物的接茬连作种植方式。这将可能导致整个作物的布局和耕作方式的变化,所以我将其称之为“革命性”变化。

就我了解到的情况,科技界和产业界面对新技术都还是充满期待的,但肯定需要有一个适应、接纳进而可持续发展的过程,这一路不会简单。

 
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