“我们吃的薯条，大部分来自一个名为Russet Burbank的马铃薯品种，这是1902年育成的，至今已过百年。同时，在我国，栽培面积最大的马铃薯品种，叫做克新1号，是我国科学家在1958年育成的，至今也过了60年”，日前，在中国农科院深圳农业基因组研究所举行的发布会上，该所研究员张春芝说，“过去，马铃薯的遗传改良一直很慢”。
百年⽼品种-Russet Burbank，1902年选育。中国农科院供图
近日，《细胞》杂志在线发表了题为“Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）”的论文，报道了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队用马铃薯二倍体替代四倍体育种，用杂交种子替代薯块繁殖，并发布了第一代高纯合度二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。
据介绍，这一研究成果，突破了百年来马铃薯育种的难题，为马铃薯杂交育种提供了全新的技术体系。
马铃薯种子非常小，只有芝麻的六分之一。中国农科院供图
全球第三大粮食作物，为何遭遇百年育种难题
2021年2月，云南德宏州，一块普通的试验田中，来自中国农科院的科学家们，收获了300多株特殊的马铃薯。
和普通的马铃薯不同，这种被命名为“优薯1号”的马铃薯，并非由块茎种植，而是用种子种出来的，它的肉质金黄，口感软糯，且产量很高，每亩可以达到3吨。它的出现，是一个标志性的事件，因为它是马铃薯二倍体育种的实验结果，是百年马铃薯育种难题得到突破的象征。
优薯1号在小区实验中，产量可以达到3吨每亩。中国农科院供图
马铃薯，这种发源自南美的作物，在16世纪，由西班牙殖民者将它带到欧洲，此后的数百年中，这种营养丰富全面，且耐寒、耐旱、耐贫瘠的作物，迅速传播到全球，成为全球第三大粮食作物，全世界13亿人以它为主要粮食。在中国，马铃薯是小麦、水稻、玉米之外的第四大粮食作物，当前种植面积超过7000万亩，产量达到1亿吨。
马铃薯是全球重要的粮食作物之一。中国农科院供图
在农业科技高速发展的今天，粮食作物育种技术突飞猛进，品种快速更新，小麦、水稻、玉米、大豆等，都是如此。但马铃薯例外，当前全球主要种植的马铃薯品种，都是数十年乃至百年前育成的。
“不是这些老品种足够好，而是马铃薯育种本身的难度，使得科学家们很难育成新的、更好的品种。”张春芝说。
马铃薯育种难，难在它的特殊的基因组，“当前主要的粮食作物育种，都是二倍体育种，而马铃薯是四倍体，”张春芝介绍，“所谓二倍体，就是一种生物，有两套基因组，四倍体自然就是有四套。一般来说，杂交育种，就是通过杂交，使作物获得新的基因，并稳定遗传下去，比如高产的基因、抗逆的基因等。很显然，基因组倍数越高，杂交育种就越难”。
块茎繁殖，马铃薯的种子出了什么问题
马铃薯是茄科植物，和其他茄科植物一样，它也会开花结果，结出形似圆茄子但个头更小的果实，成熟的果实中含有种子，可以播种繁衍。
但在农业生产中，并不用种子来种植，而是用马铃薯的块茎进行无性繁殖。科学家介绍，“马铃薯在生长中容易积累病毒，而通过块茎进行无性繁殖的做法，使得它所积累的病毒难以去除，这些病毒不会对人产生影响，却会影响新的植株生长，使它容易感染病害，从而减产，且会造成品种的快速退化。所以，在农业生产中，科学家们发明了脱毒技术，人们种植脱毒后的种薯，来保障生产。”
不论是块茎繁殖，还是脱毒技术，都会造成马铃薯生产成本的提高，张春芝介绍，“1颗马铃薯切块种植后，一般只能产出10倍左右的块茎。种1亩马铃薯，一般需要200公斤马铃薯，成本非常高，而且种薯的栽培、储存、运输、损耗等，都要比一般的粮食种子更高”。
那么，为什么不用种子来生产呢？张春芝介绍，“传统四倍体的马铃薯种子，也能种出来，但种出来的马铃薯，性状差异非常大，稳定性很低，品质不能保证，大部分都比亲本的薯块差。上世纪八九十年代，科学家们曾经推广过四倍体种子种植，但最终因为这一原因而终止”。
科学家们也曾尝试突破四倍体育种，来育成性状更稳定的新品种，但相对二倍体育种，四倍体育种的难度是几何性提升的，张春芝介绍，“杂交育种中，育成的品种具有杂种优势，但想要获得这一优势，杂交的父本和母本却不能杂，反而要非常纯，在常规育种中，科学家们会先通过选育，纯化父母本，然后用纯化后的父母本杂交，获得表现整齐一致的杂交种。马铃薯育种也是如此，问题就在于，四倍体的马铃薯，想要纯化非常难。这第一步，就挡住了许许多多的科学家”。
二倍体种质资源，找到另外一条路
2015年，在农业农村部、中国农科院和深圳市的支持下，基因组所联合云南师范大学等单位发起了“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。黄三文团队即是这一计划的执行者。
在四倍体育种困难重重的环境下，科学家们开始转而寻找新的路径，其中之一，就是二倍体育种。
“马铃薯能不能像其他粮食作物一样，进行二倍体育种呢？”作为团队科学家之一的张春芝介绍，“其实是有可能的，在自然界中，许多生物都存在不同倍性的植株，比如马铃薯，有二倍体，也有三倍体、四倍体、五倍体，之所以当前全球栽培的主要品种，都是四倍体，具体原因已经很难考证，科学家们有许多猜测，比如最初从南美带出来的，就是四倍体。这些猜测也并非正确答案，但当前市场上已经育成的栽培体，确实以四倍体为主，在南美，还存在二倍体的农家种，但未经改良，适应性较差，在其他地区不具备推广价值。”
事实上，马铃薯的二倍体育种，也存在难题，张春芝介绍，“第一难题是自交不亲和，如前所说，要进行杂交，先要有纯化后的父母本，但二倍体马铃薯的自交不亲和，使得它不能产生种子，纯化就无从谈起。”
突破这一难题的契机，来自于一种偶然发现的种质资源，张春芝介绍，团队科学家们在国际马铃薯中心的种质库中，发现了一个有种子的二倍体，这种天然的种质资源，给科学家们的育种带来新的契机，“有了可以产生种子的二倍体，纯化就有了可能，也就有了之后进行杂交育种的基础，”张春芝说。
百年梦想的曙光
事实上，育种技术的进步，使得育种的模式正在变化。张春芝介绍，在获得天然的自交亲和种质资源的同时，科学家们也通过技术，获得了人工的自交亲和资源。“通过基因测序、对比、鉴定、分析等方式，我们找到了控制自交不亲和的基因，然后用基因编辑的方式，敲除了这些基因，从而得到了自交亲和的材料”。
有了可以繁殖的种质资源后，二倍体育种开始走向正轨，在越过第一道难关后，还有许多新的难关要解决。
张春芝介绍，就如上世纪曾经推广过的四倍体马铃薯种子一样，二倍体马铃薯的种子种植后，也出现了快速退化和分离的现象。“自交种子衰退是我们遇到的第二个难题。我们发现，马铃薯自交之后产生的种子，表现非常差，比它的上一代要差很多。其主要原因是有害突变造成的，在生物中，基因突变是很常见的现象，大部分时候，这些突变都不会表现出来，对生物本身的影响不大。但通过自交这种极端的繁殖方式之后，就如近亲繁殖一样，许多有害的突变显现出来了，后代表现比较差。”
自交衰退是二倍体马铃薯杂交育种中的难题之一。中国农科院供图
解决这一问题的方式，仍是基因技术，张春芝介绍，“我们通过基因组分析，在数万个突变中，寻找和识别那些有害的突变，识别出来以后，有两种方法可以规避，第一是使用差异性较大、互补性较强的材料进行杂交，尽可能使它的有害突变不会显现出来，第二是用基因组选择，淘汰那些大效应的有害突变，获得更好的自交后代。”
300多株新的材料，第一次在云南德宏州的大田中种植，即“优薯1号”，2021年2月收获，张春芝介绍，“它的干物质含量很高，口感软糯，颜色是深黄色，含有非常高的类胡萝卜素，品质非常好，同时它的产量接近每亩3吨，接近主流种植的四倍体品种，高产的潜力很高。实现马铃薯的种子化种植后，种植1亩地只需要2克种子，而通过块茎种植，1亩地要200公斤，这是天壤之别。”
优薯1号含有极高的类胡萝卜素，蒸煮后金黄色的肉质口感极佳。中国农科院供图
“优薯1号”是一整套完善育种技术的成果，黄三文介绍，“我们在过去的研究中，设计了一套基因组设计的技术体系，从解决自交不亲和问题，获得自交系材料，到解决自交衰退问题，再到杂交选育，是一套完整的技术体系。举例来说，基因组设计，相当于设计芯片的一套底层技术，有了这套技术，就能够设计出更多、更好的芯片。育种也是如此，我们所做的，即是开发出了这一套设计体系，同时，这套设计体系，在国际上是领先的。”“优薯1号”的出现，不仅仅是一个普通的育种实验，团队首席科学家黄三文说，“从四倍体育种到二倍体育种，从块茎繁殖到种子繁殖，是马铃薯育种和产业界一直以来的梦想，如今，这一梦想，终于出现了曙光”。
新京报记者 周怀宗
编辑 唐峥 校对 李铭
