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雜交土豆問世！曾獲袁隆平親自指導，中國科學家通過基因組設計突破育種難題

點擊：3755  作者：多加    來源：DeepTech深科技 微信號  發布時間:2021-06-27 13:09:29

 

“我在湖南的一個農場長大。改革開放以后包產到戶，家里一直種植水稻，有一年水稻產量突然提高一倍，我很吃驚并問父親這是怎么回事，父親說種了袁隆平的雜交水稻品種。因此我從事農業科研一定程度上受到袁老的影響。”6 月 26 日，剛在 Cell 發表 “雜交土豆里程碑論文” 的中國農科院農業基因組研究所黃三文研究員，向 DeepTech 講述了自己的從農歷程。

 

 

圖 | “優薯 1 號”（來源：受訪者）

 

兩天前，其擔任通訊作者的論文《雜交土豆的基因組設計》（Genome design of hybrid potato）一經發表，便引起了不小的轟動，這不僅是因為技術難度，更因為雜交土豆很容易讓人聯系到袁隆平的雜交水稻。

 

 

圖 | 相關論文（來源：Cell）

 

而黃三文也確實在 2020 年拜訪過袁老，袁隆平很贊賞他開展的 “優薯計劃”，并題詞 “馬鈴薯雜交種子繁殖技術是顛覆性創新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

 

黃三文團隊啟動的 “優薯計劃 “是運用 “基因組設計” 的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。目前已培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交優勢顯著的雜交馬鈴薯品系 “優薯 1 號”。

 

 

圖 | “優薯 1號”（來源：受訪者）

 

可解決塊莖運輸問題

 

黃三文告訴 DeepTech，土豆是無性繁殖，它的繁殖器官就是塊莖，一個土豆有好幾個芽，把土豆切成幾塊，每塊上面都有一個芽，種到地里面等它長出一個完整的植株然后再結薯塊。相比種子，塊莖的體積很大，種一畝土豆需要 200 公斤種薯，儲運很不方便。

 

此外，由于種薯是鮮活的器官，很容易感染上病蟲害，因此要經歷脫毒的步驟，期間會耗費巨大的人力物力。而種子是一個自我凈化的過程，很少有病害可通過種子傳播，種一畝土豆也只需 2 克種子。

 

假設，想在非洲種植一億畝土豆為例，由于天氣炎熱，當地無法生產種薯，因此必須從其他地方運過去，那么就需要兩千萬噸種薯，這時必須得用船運，但會導致還未達到目的地，種薯就壞掉了。如果使用種子則只需兩百噸，這意味著一趟飛機就能運過去，從而讓糧食安全更有保障。

 

 

圖 | 培育步驟（來源：受訪者）

 

非洲以木薯為主食，當地夏天種植木薯。如果冬天種植一億畝地的土豆，估計可滿足非洲人口半年的口糧。在全球范圍內，13 億人口把土豆作為主糧之一，因此土豆是非常有前途的作物。

 

多數人吃的土豆，都是從歐洲土豆培育出的口味，風味比較寡淡。“優薯 1 號” 的 “血緣” 來自南美，因此口感很不錯。胡蘿卜素的含量比較高，所以土豆顏色接近金黃色。

 

2020 年 11 月 8 日，黃三文拜訪袁隆平院士，跟他談起正在做的雜交土豆。他們談到，當前中國南方種植土豆，都要從內蒙和東北調用種薯，因為目前的種薯只能在氣候較冷的地方生產。

 

基于此，袁隆平認為該技術至少應該叫雜交馬鈴薯種子技術，因為它能解決兩大問題：

 

其一，利用中國南方冬閑地種植土豆，來給中國糧食安全增加一層保障，即在當年 11 月種完水稻到來年的 3 月份，由于光熱條件這四個月時間無法種植水稻，但可以種植喜歡冷涼環境的土豆；其二，有了雜交土豆種子，也可解決種薯調運難、脫毒費用大的問題。

 

一顆雜交土豆的 “孕育”

 

本次研究前，該團隊還解決了兩個難題，第一個難題是二倍體的土豆在自花授粉后不能形成種子，因為它存在自交不親和的強制異交的生物學機制。他們通過基因編輯、篩選突變體、導入野生基因等幾種方式后，均獲得成功。

 

這等于打破了自交不親和的現象，這是土豆即可進行自交，相關論文于 2018 年發表在 Nature Plants。

 

 

（來源：受訪者）

 

第二個難題叫自交衰退，這其實和人類一樣，人類不能近親結婚就是因為隱性有害基因可能會純合，就會形成遺傳病。而土豆的隱性有害基因含量更多，由于進行長期的無性繁殖，野生土豆是兩套基因，栽培土豆是四套基因，四套基因中只要有一個基因是好的，另外三個基因由于是隱性突變，因此看不出來效果。但是在自交的過程中，隱性基因會重合，進而帶來不利效果。

 

在 Cell 發表本次文章之前，該團隊在 Nature Genetics 曾發表兩篇論文，來分析有害突變在土豆基因組中的分布情況。

 

他們最終得出兩個主要結論：

 

第一，有害突變在土豆二倍體中，是以鑲嵌的形式分布在兩套基因組上面，也就是說有害突變并非全部在一套基因組上、或者集中在基因組上的某些區域，這意味著無法完全通過重組去淘汰所有有害突變。

 

第二，有害突變非常具有個體特異性，每一個材料的有害突變都不一樣。如果用不同材料培育自交系土豆，雖然自交系都攜帶了有害突變，但是在 F1 種子中，因為有不同的突變，那就可以進行互補。因此，F1 種子中不會展示出這些突變。當然，必須首先淘汰掉起著主要效應的有害突變，因為大效應有害突變會使親本表現不好。

 

有了上述兩大結論的支持，本次 Cell 論文則詳細介紹了如何選擇材料、如何淘汰有害突變、如何打破有害突變和優良基因的連鎖、如何選擇親本。

 

研究成果比荷蘭團隊的更好

 

2005 年，黃三文開始研究土豆基因測序。與此同時，荷蘭也開始研制雜交土豆，并在 2011 年發表相關論文。

 

 

圖 | 黃三文（來源：受訪者）

 

2011 年，他完成了基因組序列圖，以通訊作者身份在 Nature 發表了相關論文，并已具備對有害突變的初步認識，這時就能在基因組的指導下研究雜交土豆。

 

2013 年，該團隊在《中國馬鈴薯》雜志上發表論文，提出通過基因組設計開展雜交馬鈴薯育種的思路。兩年后，美國團隊也開始發表關于雜交土豆的相關文章。

 

也就是說，中荷雙方團隊基本同時開始對雜交土豆產生興趣，但荷蘭的研究起步更早。2020 年，經過十幾年的研究，荷蘭團隊發表了關于二倍體馬鈴薯自交系的新論文，但是基因組的純度只有 80%。

 

每個土豆平均有 4 萬個基因，平均 20% 的基因組就有 8000 個基因。如果另一個親本也有 20% 的雜合度，那就有 16000 個基因分離，這樣雜交種就分離太大了。

 

黃三文說，選定一個品種通常有三個標準，其一是獨特性，其二是穩定性，其三是整齊一致性。故此，荷蘭團隊的品種并不符合標準，因為會阻礙商業推廣。

 

對比來看，荷蘭團隊耗時十幾年培育出的雜交土豆的基因組純度不高，而黃三文團隊的雜交土豆基因組純度已達 99%，他認為這是因為荷蘭團隊對基因組有害突變的理解和淘汰力度還不夠所致。

 

肯定會最先在國內推廣該技術

 

據悉，該團隊計劃在 15 年后，解決雜交土豆的系列問題，以實現全面產業化。其中，種子生產是最重要的環節之一。

 

他告訴 DeepTech，雜交制種分為母本和父本，去除母本的雄蕊，然后把父本的花粉授粉到母本的柱頭上，即可獲得 F1 的種子。

 

 

（來源：受訪者）

 

他說肯定不能用人工去雄的方式，而是要采用不育系母本。相比水稻，土豆只有兩個系，即不育系和保持系，而未來他們有可能采用昆蟲授粉。

 

黃三文表示，肯定會最先在國內推廣該技術。中國有 18 億畝田地，主要用來種植水稻、小麥和玉米，由于沒有太多土地來種植大豆，因此中國每年進口約一億噸大豆、以及兩三千萬噸的玉米和小麥。之所以進口大豆，是因為它提供的飼料蛋白，是動物飼料的重要組成部分。

 

而該團隊正在培育的雜交土豆，有望做飼料專用的品種。假如將來在華南推廣雜交土豆時，冬閑地面積較大，那么就可把土豆做成飼料。

 

現代土豆品種含有 18% 左右的干物質，種質資源中則有接近 50% 的干物質含量。因為，他們計劃培育專門飼用土豆品種，目標干物質含量達到 30%，蛋白含量則希望從 2% 達到 5%。

 

 

（來源：受訪者）

 

土豆蛋白是非常優質的蛋白，做飼料絕對沒問題。目前，湖南和云南等地的農戶，一旦土豆產量有盈余，就會拿來喂豬。如果雜交土豆可用作飼料，即可替代部分大豆和玉米的進口。

 

談及研究中難忘的事情，黃三文說必須表揚本次論文的第一作者張春芝。他說當初立項時，團隊在土豆方面并沒有太多積累。大約 7 年前，黃三文和張春芝溝通完雜交土豆研究計劃后，后者勇敢接受了該任務。

 

大概研究五年左右，他們終于于 2018 年在發了首篇雜交土豆的相關研究論文。而現在，張春芝已經是基因組所的研究員，2020 年還當了優青。

 

受袁隆平啟發從事農業，留學荷蘭畢業后歸國

 

黃三文說，他在中國農業大學讀書時見過袁隆平，當時后者曾來到農大講課。他也看過雜交水稻紀錄片《從三系到一系》，當然那時還沒想到用雜交水稻的方法做土豆。

 

 

（來源：受訪者）

 

碩士畢業后，黃三文進入中國農科院蔬菜花卉研究所做助理研究員。2000 年，他出國到荷蘭瓦赫寧根大學讀博，學習土豆抗病基因克隆。

 

其導師埃弗特·雅各布森（Evert Jacobsen）和理查德·維瑟（Richard Visser）是國際馬鈴薯基因組計劃的發起人，在該計劃的發起早期，他就參與謀劃并領取相關任務，即對土豆的 11 號染色體進行測序。

 

2004 年回國前，一位老師把一篇關于雜交玉米育種歷史的論文（《1930 年代的生物技術》）發給他，受到該文章的啟發，他在想是否能把土豆從塊莖繁殖變為雜交種子繁殖。

 

當時還覺得是異想天開，土豆存在很多有害突變，自交以后會出現衰退，要想知道有害突變的分布規律，就必須知道基因組。

 

而正如前文所述，后來他完成了系列研究，并有了今天的成果。值得注意的是，在本論文中黃三文特別向袁隆平表示了致敬，感謝了他對于雜交土豆研究的啟發和鼓勵。

 

 

圖 | 在論文中向袁隆平致敬（來源：受訪者）

 

如今，深圳在大鵬新區給他了兩千畝試驗地，他認為鄉村振興不能只靠農村，也要靠城市的科技支持。他說，在深圳做農業科技優勢很大，當地支持人才非常給力，各種硬件也非常好，因此他非常鼓勵更多有志之士來深圳搞農業科研。

 

-End-

 

參考：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006

 

作者：多加   來源：DeepTech深科技