二倍體雜種優(yōu)勢馬鈴薯育種的展望

李穎，李廣存，李燦輝，屈冬玉*，黃三文*

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京100081；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山東濟(jì)南250100；3.云南師范大學(xué)，云南昆明650092）

綜述

二倍體雜種優(yōu)勢馬鈴薯育種的展望

李穎1，李廣存2，李燦輝3，屈冬玉1*，黃三文1*

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京100081；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山東濟(jì)南250100；3.云南師范大學(xué)，云南昆明650092）

馬鈴薯育種進(jìn)程緩慢主要是由馬鈴薯四倍體遺傳特性決定的。高度雜合的四倍體馬鈴薯中隱性基因表現(xiàn)頻率低，使得很多有害的等位基因被隱藏在四倍體中，而有利等位基因很難重組到一個四倍體品種中，這是造成馬鈴薯雜交育種周期長的一個重要原因。馬鈴薯無性繁殖有利于保持原品種的優(yōu)良性，生育期短；但儲運成本高、容易退化。實生籽利用的優(yōu)點是儲運簡便、基本不傳播病蟲害，且有利于知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。與四倍體實生種相比，二倍體F1育種可以通過不斷自交將有害基因剔除掉，從而獲得優(yōu)良自交系用于F1實生籽生產(chǎn)。隨著馬鈴薯研究的不斷發(fā)展和馬鈴薯全基因組測序的基本完成，近幾年二倍體F1實生籽育種成為了國際馬鈴薯研究的熱點。然而，要實現(xiàn)二倍體實生籽生產(chǎn)，自交不親和及其自交衰退是培育自交系的絆腳石。我們正在克隆自交不親和抑制基因Sli，并且通過雜交將該基因整合到優(yōu)良栽培品種中，為下一步培育出優(yōu)良二倍體自交系奠定基礎(chǔ)。同時我們也正在全基因組水平上挖掘馬鈴薯自交衰退相關(guān)基因區(qū)域，希望能進(jìn)一步了解自交衰退的遺傳機(jī)理，探索一條快速克服自交衰退的分子育種路徑。這些工作將有助于建立馬鈴薯二倍體F1育種體系，帶動馬鈴薯產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的“綠色革命”。

馬鈴薯；二倍體自交系；F1雜種；自交不親和；自交衰退

國際上馬鈴薯育種可以追溯到幾個世紀(jì)前[1]。我國早在20世紀(jì)40年代就開始了馬鈴薯品種的選育工作，七十多年來育成了三百多個品種，其中大多數(shù)都是通過品種間雜交選育而成[2]，這些品種在生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。但整體而言，馬鈴薯育種進(jìn)程緩慢，一些品種（如Russet Burbank和Bintje）已經(jīng)在北美和歐洲種植了上百年，目前仍是該地區(qū)的主栽品種[3]。馬鈴薯的四倍體遺傳特性是其育種進(jìn)展緩慢的主要原因。生產(chǎn)上應(yīng)用的馬鈴薯栽培種是高度雜合的四倍體（2n=4x=48），其雜交后代的分離比二倍體作物復(fù)雜得多。四倍體含有四套染色體，同一遺傳位點上含有四個等位基因，在減數(shù)分裂形成配子時，所形成的配子類型較多，進(jìn)而形成后代的基因型則更加復(fù)雜。在傳統(tǒng)育種中，對馬鈴薯數(shù)量性狀的遺傳育種多為表型選擇，主要原因是沒有有效的分子標(biāo)記來提高育種效率[4]。高度雜合的四倍體馬鈴薯中隱性基因表現(xiàn)頻率低，使得很多有害的等位基因被隱藏在四倍體中，這是造成馬鈴薯雜交育種周期長的一個重要原因。通常情況下，培育一個成熟的優(yōu)良品種需要12年的時間。

目前馬鈴薯主要通過無性繁殖的塊莖作為種薯。無性繁殖有利于保持原品種的優(yōu)良性，便于栽培管理，生育期短，薯苗在發(fā)育的早期就具有較強的生活力，受外界不良環(huán)境的影響小，所以較易獲得高產(chǎn)。然而，使用薯塊生產(chǎn)馬鈴薯也有很多不盡人意之處。首先是用種量，薯塊作為種子用種量很高，一般用種薯100～150 kg/667 m2，甚至更多，提高了生產(chǎn)成本，更重要的是需要大量留種，貯藏要求高，易腐爛。與此相反，用實生籽（True potato seed）生產(chǎn)馬鈴薯恰好可以彌補這些缺陷。用種量會大大減少，1 g種子約有1 600～2 000粒。如用種子育苗栽種，有幾克種子即可。其次是種薯衰退，這是種薯生產(chǎn)的致命弱點。種薯脫毒、生產(chǎn)無毒種薯是防止馬鈴薯退化的主要途徑，建立在高成本和高能耗基礎(chǔ)上的脫毒種薯生產(chǎn)體系必須加以改進(jìn)。馬鈴薯實生籽除了可以包衣防病，由種子獲得的實生苗基本上是無毒的，是一個經(jīng)濟(jì)有效的脫毒方法。第三是種薯運輸成本高，種薯連續(xù)多年使用會出現(xiàn)嚴(yán)重退化減產(chǎn)，生產(chǎn)上每隔幾年就要調(diào)入種薯，由于馬鈴薯用種量大，加之為“鮮貨”易腐爛等，運輸成本高，且非常不便。用實生籽的最大優(yōu)點之一是耐貯藏，運輸、存放簡便。最后是實生籽還有助于知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。鑒于實生種子繁殖的上述優(yōu)點，如果能將其大規(guī)模用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，前景廣闊。

目前為止，利用實生籽育種尚局限在四倍體水平上，進(jìn)展緩慢。1968年中國首先開展用實生籽（True potato seed）生產(chǎn)馬鈴薯[5]，80年代成效顯著，影響巨大。1978年，國際馬鈴薯中心（CIP）開始進(jìn)行馬鈴薯實生種子的選育工作。實生種子育種的主要手段是通過四倍體或者二倍體親本自交。雖然實生種可以表現(xiàn)出很髙的一致性和純合度，卻導(dǎo)致明顯的產(chǎn)量降低和嚴(yán)重退化。馬鈴薯栽培種大多是高度雜合的四倍體，因此對四倍體材料進(jìn)行自交或者雜交遠(yuǎn)比二倍體要復(fù)雜得多。與四倍體相比，二倍體F1育種可以通過不斷自交去有害化，將有害基因剔除掉，從而獲得優(yōu)良自交系用于F1實生種子生產(chǎn)。曾有研究報道獲得了單倍體及雙單倍體馬鈴薯植株[6-8]，并寄望于獲得自交純合材料。然而，至今沒有獲得具有優(yōu)異農(nóng)藝性狀的純合馬鈴薯的相關(guān)報道。自交不親和（Self-imcompatibility）和自交衰退（Inbreeding depression），是培育自交系的絆腳石。

自交不親和性是指能產(chǎn)生具有正常功能且同期成熟雌雄配子的雌雄同體植物，在自花授粉或相同基因型異花授粉時不能完成受精的現(xiàn)象。常見于雌雄同株植物，是植物在其長期進(jìn)化過程中形成的有利于異花授粉的一種生殖隔離[9]。要想開展二倍體F1實生籽馬鈴薯育種，需要獲得自交親和的二倍體材料。1998年，Hosaka和Hanneman[10,11]發(fā)現(xiàn)了可以抑制二倍體馬鈴薯自交不親和的Sli基因，經(jīng)過反復(fù)自交得到自交材料[10]。在自交過程中后代雜合度降低，同時伴隨著育性降低、品質(zhì)低和產(chǎn)量低等問題。這也進(jìn)一步證明了在馬鈴薯中存在著嚴(yán)重的自交衰退現(xiàn)象。盡管如此，由于有害隱形基因在不斷自交過程中被清除，自交后代的育性被改良了[12]。遺憾的是，由于當(dāng)時實驗條件和作圖群體的選擇，沒能對Sli基因的精細(xì)定位和克隆進(jìn)行更深入的研究。之后對該基因的研究前景也沒給予足夠的重視，該研究還停留在十多年前。隨著馬鈴薯研究的不斷進(jìn)展和馬鈴薯全基因組測序的基本完成，近幾年二倍體F1實生籽育種又將成為國際馬鈴薯研究的熱點。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所正在利用Sli基因的自交材料對該基因進(jìn)行精細(xì)定位，同時通過雜交將Sli基因整合到優(yōu)良栽培品種中，為下一步培育出優(yōu)良二倍體自交系奠定基礎(chǔ)。

自交衰退是生物界的普遍現(xiàn)象，一直被認(rèn)為是植物界進(jìn)化的重要動力[13,14]。自交衰退是指異花授粉植物在進(jìn)行連續(xù)多代自交后，會出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退，表現(xiàn)為植株的生長勢、抗病性和抗逆性減弱，生活力下降，經(jīng)濟(jì)性狀退化。自交衰退和雜種優(yōu)勢是同一遺傳現(xiàn)象的不同表現(xiàn)形式[15]。顯性（Dominance）是自交衰退和雜種優(yōu)勢現(xiàn)象的基礎(chǔ)。如果不存在顯性，就不會有自交衰退，也不會有雜種優(yōu)勢。原因是自交使群體內(nèi)純合體比率增加，顯性度降低。而雜交使群體內(nèi)雜合體比率增加，顯性度增大。自交衰退有兩種遺傳形式：隱性有害突變（Recessive deletious mutations）和雜合子優(yōu)勢（超顯性，Overdominnace）。自交后代純合度較高導(dǎo)致與雜交后代相比的適合度降低，產(chǎn)生自交衰退，因此充分了解其基礎(chǔ)遺傳原理對作物育種有著重要意義。隨著近幾年二倍體F1實生籽育種又成為國際馬鈴薯研究的前沿，了解馬鈴薯自交衰退的遺傳機(jī)理和遺傳變異特點，為突破馬鈴薯育種瓶頸提供重要基礎(chǔ)。

2011年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature》（自然）以封面論文的形式發(fā)表了馬鈴薯全基因組序列圖和生物學(xué)分析的科研成果[16]。此項成果的研究對象是加倍的單倍體（Doubled monoploid,DM），由美國弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的Veilleux教授提供；另一個比對基因組是荷蘭的雜合二倍體馬鈴薯材料（RH）。從兩個植株的表現(xiàn)型上，RH的長勢更旺盛。通過比較基因組分析，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中隱性有害基因的純合可能是導(dǎo)致生長力衰退的主要原因。由于目前對雜合子基因組分析的計算手段和參考基因組序列有限，對基于短序列的高雜合基因組拼接和組裝技術(shù)還需改進(jìn)。如果對更多單倍體進(jìn)行重測序，將提高馬鈴薯基因組拼接和組裝效率。通過對多個同源單倍體基因組數(shù)據(jù)比較，可以進(jìn)一步解析自交衰退的遺傳機(jī)理，為實現(xiàn)馬鈴薯全基因組設(shè)計育種清除障礙。

美國弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的Veilleux教授研究團(tuán)隊擁有完整的單倍體群體。首個馬鈴薯全基因組測序材料DM就是該群體中的一員。近期，該群體的親本材料（二倍雜合體）和多個同源單倍體材料已經(jīng)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所進(jìn)行重測序。下一步研究工作主要是利用SOAP2軟件將二倍體雜合基因組測序數(shù)據(jù)比對到DM參照基因組上，通過統(tǒng)計分析識別與DM基因組不同的測序數(shù)據(jù)；利用SOAPdenovo單獨拼接與DM不同的測序數(shù)據(jù)，并與重復(fù)序列區(qū)域進(jìn)行整合，獲得二倍體材料中另外一個單倍型的基因組序列；將同源單倍體的群體重測序數(shù)據(jù)與兩個單倍型基因組序列進(jìn)行平行大規(guī)模比對，識別單倍體群體缺失的序列片段，進(jìn)而在全基因組水平上挖掘馬鈴薯自交負(fù)荷（Inbreeding load）區(qū)域，希望能進(jìn)一步了解自交衰退的遺傳機(jī)理，全面解密自交衰退的遺傳密碼。此項研究也將為其他作物自交衰退研究提供方法依據(jù)。

馬鈴薯是世界第四大糧食作物，對于糧食安全的作用日益突顯。我國是世界最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，目前種植面積已經(jīng)接近600萬hm2，總產(chǎn)量約900億kg。然而我國馬鈴薯單產(chǎn)水平剛到1 000 kg/667 m2，只有先進(jìn)國家如荷蘭的1/3。馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸是缺乏適合于我國氣候條件和栽培方式的優(yōu)良品種，對于原產(chǎn)南美的馬鈴薯這一外來作物遺傳資源的研究和利用也特顯不足。隨著自交衰退遺傳密碼的即將解密，馬鈴薯育種將迎來前所未有的新機(jī)遇。自然界中可利用的馬鈴薯野生種和近緣栽培種約74%為二倍體[17]。通過遺傳整合，野生二倍體的豐富資源可以被充分的挖掘利用，經(jīng)過多代自交獲得優(yōu)異表現(xiàn)的純合植株。馬鈴薯純合材料的獲得可以使馬鈴薯實生種籽得到廣泛應(yīng)用，馬鈴薯育種、繁種將步入自己的“綠色革命”。未來科學(xué)家還可以通過馬鈴薯純合材料獲得重組自交系、近等基因系和漸滲系[18]。在其他物種里（如番茄、大麥和玉米等）這些遺傳材料在正向遺傳學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用[19-21]。通過全基因組設(shè)計育種與常規(guī)育種的有機(jī)結(jié)合，馬鈴薯育種家將加速培育具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種。

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Prospects of Diploid Hybrid Breeding in Potato

LI Ying1,LI Guangcun2,LI Canhui3,QU Dongyu1＊,HUANG Sanwen1＊
(1.Institute of Vegetables and Flowers,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China；2.Institute of Vegetables,Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan,Shandong 250100,China；3.Yunnan Normal University,Kunming,Yunnan 650092,China)

Potato breeding process is slow,mainly due to its tetraploid genetic characteristics.It takes large selection programmes on progeny plants derived from crosses between tetraploid potato cultivars to select a clone that has the right balance between unfavourable alleles and compensating alleles at the same or at other loci.The clonal propagation of potato offers importantagronomic and genetic advantages.However,clonalpropagation has more drawbacks,where true potato seed production can make up forthese deficiencies.In orderto achieve continuous progress in potato breeding,an alternative system should be developed thatis based on the structuralremovalofunfavourable alleles.Diploid breeding can"purge"the detrimental alleles by constantly selfing to elite inbred lines for F1seed production.The availability of genome sequence and re-sequencing leads diploid F1breeding to be the hot topic.However,the hurdle in the development of diploid potato inbred lines is self-incompatibility and inbreeding depression.We are working on fine-mapping of an Slocus inhibitorgene,and transferring the gene to elite cultivars.In addition,we focus on dissecting the inbreeding depression by re-sequencing doubled haploid popualtion,which would be essential forfurthergenetic study of inbreeding loads in potato.The research will facilitate the setup ofthe diploid F1breeding systemin potato thatwillgivebirth to the Green Revolutionofthe potato industry.

potato；diploid inbreeding；F1hybrid；self-incompatibility；inbreeding depression

S532

A

1672-3635（2013）02-0096-04

2013-02-22

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（31201257），國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA102603）。

李穎（1980-），女，助理研究員，博士，從事馬鈴薯分子遺傳育種研究。

屈冬玉，研究員，博士，主要從事馬鈴薯遺傳育種研究，E-mail：qudongyu@caas.cn；黃三文，研究員，博士，主要從事蔬菜基因組學(xué)和分子育種，E-mail∶huangsanwen@caas.cn。