【深圳卫视】深圳科学家发明“新利器”，实现杂交马铃薯育种技术又一重大突破

5月4日深夜，国际权威期刊《细胞（Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（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）”。

该研究通过利用进化基因组学开发历史透镜，高通量鉴定并整合全基因组功能位点、有害突变二维图谱，指导马铃薯育种决策，加速马铃薯育种进程，是我国杂交马铃薯育种技术取得又一重大突破。

此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国农业科学院、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。基因组所研究员黄三文为通讯作者，基因组所博士后吴瑶瑶、博士后李大伟、硕士研究生胡勇为该论文的共同第一作者，同时得到了来自英国、美国、瑞士、德国等多个国家地区的科研专家指导。

马铃薯的绿色革命

“优薯计划”

作为13亿人口的主要粮食来源，马铃薯（又名土豆）是最重要的块茎类粮食作物，也是我国第四大主粮作物，其具有产量高、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且基因组复杂，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。

黄三文还介绍了研究过程中妨碍马铃薯育种的两大障碍，“这主要是自交不亲及自交衰退，而自交不亲俗称植物自花授粉后不能产生成熟种子，另一个顾名思义是自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降。”

为了攻关这两大难题，黄三文团队先后解析了马铃薯单倍体、二倍体及四倍体基因组和泛基因组，打破了自交不亲和，初步解析了自交衰退的遗传基础，通过清除大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种。

（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）

首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱绘制成功

为了培育高产优质马铃薯品种，科学家需要找到优良的自交系起始材料用于培育优良的二倍体马铃薯杂交种，而如何鉴定并选择自交系亲本，以及进一步培育高产优质品种就成了摆在研究人员面前的一道难题。

对此，研究人员收集了大量茄科物种资源，完成了38份茄科基因组组装，结合已发表数据，获得95份茄科材料、5份旋花科材料基因组信息，完成了茄科基因组组装和组学进化分析。

“这些材料最长进化时间为8千万年，累计有12亿年进化时间。”研究人员表示，通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果，此项研究从全基因组层面鉴定了进化保守位点及其程度（进化保守值），保守值越高的位点具有更重要功能，这些位点突变后更可能对马铃薯产生不良效应，即有害突变。

研究人员将进化保守值，作为有害程度值，绘制了首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱，为鉴定马铃薯功能位点及剔除有害突变提供了新依据。

研究人员发现按照传统育种经验，一般会优先选择“看起来”长势良好的亲本材料作为自交系构建起始材料，然而，该研究发现，马铃薯自交系构建中，事实恰恰相反，长势良好的起始材料往往隐藏着更高的杂合有害突变及有害突变总量。也就是说，它们自交产生的后代中有害突变会更多，就更不易培育出优质的马铃薯自交系。

“这就是为什么光看‘外表’，也就是按照表型选择，会导致自交系构建失败的原因。”研究人员指出，此项研究提供了要依靠有害突变遗传总值来指导亲本选择的新依据，可以提早预判自交系构建成败，从而在短时间内创造更多自交系及杂交品种。

团队开发出一种全基因组预测新模型 更好地帮助育种家制定早期育种决策

“理想”的亲本材料构建了自交系，育种家们还要进行杂交组配及品种改良，需要等待漫长的生育周期，才能“看到”培育出的品种效果或性状，这一过程不仅会消耗大量的人力物力，还会严重拖缓马铃薯的育种进度。

黄三文团队开发出一种全基因组预测新模型，通过将有害突变信息纳入模型中，可大幅提高产量、株高、薯块等性状的预测准确度。

经过研究测试后，该模型预测准确度提高了45%；相比随机有害突变信息模型，预测准确度提高了25%；在马铃薯中达到了前所未有的准确度。该模型能够根据基因型及有害突变信息准确估计育种值，更好地帮助育种家制定早期育种决策，进一步降低育种成本、缩短马铃薯育种周期、快速培育高产优质马铃薯品种。

“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。

来源：深圳科学家发明“新利器”，实现杂交马铃薯育种技术又一重大突破 (sztv.com.cn)