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友媒视角| 从种“薯块”到播“种子”,深圳科学家突破马铃薯繁育难题

发布时间:2018-08-16 发布来源:

 在美食界,马铃薯是一种“百变”的存在,从薯片、薯条、薯泥⋯⋯在煎炒焖炖炸之中游刃有余地发挥自己的风味。在农作物界,马铃薯是一种“神奇”的存在,它是唯一跻身四大粮食作物(小麦、稻谷、玉米和马铃薯)的跨界蔬菜;也是最“桀骜不驯”的农作物之一,人类栽培、食用了7000余年,仍无法驯化它。

 

 不过,未来马铃薯的种植方式可能发生翻天覆地的变化,将从种“薯块”到播“种子”。8月13日,在《自然》(《Nature》)子刊《自然·植物》(《Nature Plants》)杂志上在线发表了由中国农业科学院深圳农业基因组所黄三文研究团队利用基因组编辑技术克服马铃薯自交不亲和的研究成果,这是“优薯计划”2017年立项实施以来发表的首篇重要研究论文。

 

 8月15日,读创记者采访了这篇论文的共同通讯作者——深圳农业基因组所所长、研究院黄三文和张春芝博士,深圳已成为“优薯计划”的基础研究支撑,未来中国科学家还将在马铃薯繁育、驯化上走得更远。

 

△“优薯计划”科研团队(一排左四为黄三文,左三为张春芝)

 

中国科学家牵头描绘马铃薯基因图谱

 

 7000多年前,印第安人在南美洲安第斯山区发现了马铃薯,这种淀粉丰富且富含葡萄糖、果糖和蔗糖的块茎给予印第安人的满足感应该远不止“果腹”,还有“美味”。随后,人类开始种植马铃薯,并将它们带到世界各地。据史料记载,马铃薯16世纪传入中国。目前中国已是世界马铃薯播种面积和产量最多的国家。

 

 几千年过去了,马铃薯的食用方式有了各种各样的变化,可种植方式却一如最初。依靠块茎种植的马铃薯是四倍体,也就是成体细胞中含有的染色体是最小染色体组数的四倍。四倍体遗传非常复杂,导致马铃薯育种周期长,很多100多年前培育出的品种仍然在广泛种植。另外,种植一亩马铃薯需要100到200公斤的薯块,造成马铃薯具有储运成本高、易携带病虫害等缺陷。

 

 如何突破?马铃薯聚集了世界科学界的目光。2005年,中国参与的第一个蔬菜基因组国际计划就是由荷兰瓦赫宁根大学发起的国际马铃薯基因组计划,黄三文正是中方首席科学家负责项目的组织和执行。

 

 同时,黄三文还肩负着黄瓜等国际基因组计划。2007年,国际黄瓜基因组计划取得重大突破,其研究成果在2009年11月的《自然·遗传学》(《Nature Genetics》)上作为封面文章发表,这是第一个蔬菜作物全基因组分析论文,也是中国园艺界第一次在高影响因子的国际学术期刊上发表论文。

 

 另一边厢,截至2008年上半年,马铃薯基因组计划仍然进展缓慢。黄三文另辟蹊径,采用单倍体材料、全基因组鸟枪法策略和新一代DNA测序技术,在2009年初完成了单倍体马铃薯全基因组序列图的绘制,并初步阐明了马铃薯自交衰退的基因组学机理并发现一批与马铃薯块茎发育相关的基因。在2009年3月爱尔兰会议上,世界各国科学家决定把所有资源集中在中国组织的单倍体马铃薯测序计划上来。2011年7月,《自然》以封面论文发表了马铃薯基因组分析的成果,还被两院院士评为2011年度“世界十大科技进展新闻”。

 

△论文图片

 

驯化马铃薯的第一步从“自交”开始

 

 科学家并不满足于此,更重要的还要突破马铃薯育种和繁殖方式。在国家农业农村部的支持下,黄三文联合国内外优势单位发起了“优薯计划”,用二倍体替代四倍体,并用杂交种子替代薯块,用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”。2017年,“优薯计划”正式启动,并由深圳基因组所和云南师范大学共同承担,深圳主要负责基础研究,云南负责育种。

 

△利用基因组编辑技术创制自交亲和的二倍体马铃薯

 

 “马铃薯跟番茄其实是同科同属。”张春芝告诉记者,这两种植物都是茄科茄属的“姐妹”,基因相似度超过90%。“野生番茄自交也是没有种子的,现在切开番茄肉眼可见一粒粒种子都是人工驯化的结果。”张春芝表示,现在人们可以通过杂交获得马铃薯的种子,但这样所得到的种子培育出来的马铃薯只能用薯块进行繁殖,如果用种子繁殖的话,后代分离会非常大,商品性差。如果想获得生长一致的种子,第一步就是要培育出优良的自交系,然后通过自交系之间相互杂交培育出新品种。

 

 可这第一步“自交”,对于马铃薯来说就是一道此前无法逾越的障碍。张春芝说,二倍体马铃薯普遍存在自交不亲和的现象,自己的花粉授到自己的柱头上,无法产生种子。此前已有外国科学家利用来自野生马铃薯中的自交不亲和抑制基因Sli突破这一障碍,但却带来匍匐茎过长、龙葵素(马铃薯中含有的一种有毒生物碱)含量过高等问题。

 

 而黄三文团队创新利用基因组编辑技术解决了这些问题。研究结果显示,马铃薯的自交不亲和是由核糖核酸酶基因S-RNase控制的。研究人员通过拼接获得了该基因的全长序列,并利用基因组编辑技术对此基因进行了定点突变,获得了自交亲和的二倍体马铃薯,并通过自交获得了不含有任何外源片段但是自交亲和的马铃薯新材料,可以直接应用于育种。

 

 据了解,这是“优薯计划”发布的首个科研成果,““当马铃薯完全利用种子种植时,只需要2克的种子就能种出一亩马铃薯。”张春芝表示,“优薯计划”将会彻底颠覆马铃薯的生产方式,接下来还将发布多个科研成果。