二倍體馬鈴薯實生種雜交育種進展

云南師范大學馬鈴薯科學研究院

1 研究的背景和意義

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是一年生茄科茄屬作物，因其具有產量高、適應性強、營養(yǎng)豐富、糧菜兼用、綜合加工用途廣泛等特性，成為世界上僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物，廣泛分布在148個國家和地區(qū)，也是13億多人口的主糧。我國的馬鈴薯栽培始于16世紀末至17世紀初，現已成為世界上第一大馬鈴薯生產國。2020年，我國馬鈴薯種植面積約486.67萬公頃、產量近1億噸，種植面積和產量均居世界首位。馬鈴薯不僅是我國重要的糧食作物，也是全國大宗蔬菜和牲畜飼料的重要加工原料，有效緩解了國家糧食安全壓力。云南是我國傳統(tǒng)的馬鈴薯生產大省，種植面積達60多萬公頃。馬鈴薯產業(yè)是云南省最具代表性的高原特色農業(yè)產業(yè)之一。

馬鈴薯中存在著二倍體、四倍體等不同倍性材料。傳統(tǒng)馬鈴薯育種以四倍體馬鈴薯為主，具備產量潛力高、種植體系較為完善等優(yōu)點?！笆濉逼陂g，我國自主選育新品種227個，品種結構不斷豐富，早熟和鮮食加工兼用品種占比增加、薯塊外觀品質作為改善。雖然四倍體馬鈴薯育種取得了長足進步，但四倍體馬鈴薯育種存在薯塊繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害等系統(tǒng)性問題，導致目前我國馬鈴薯單產水平仍然較低、優(yōu)異種質資源不足，遺傳效應難以累積，資源引進、精準鑒定、評價和共享困難，品種專用性不強等問題。

二倍體馬鈴薯占馬鈴薯遺傳資源70%以上，充分利用遺傳變異更為豐富的二倍體馬鈴薯種質(圖1)，開展二倍體馬鈴薯實生種雜交育種是馬鈴薯基礎與應用研究領域的重大變化。用二倍體馬鈴薯雜交育種替代傳統(tǒng)育種，可大幅縮短育種周期，加快品種(鮮食型/加工型/飼用型)及相關加工產品迭代速度；采用雜交馬鈴薯種苗播種，每公頃地僅需45-75克種苗就可以替代2 250-3 000千克的種薯，種苗的繁殖系數是薯塊的1 000倍，可為我國節(jié)約上百萬畝的種薯用地，并且種苗基本不攜帶病蟲害，也可避免病蟲害的發(fā)生頻率和跨地區(qū)傳播。

圖1 遺傳變異豐富的二倍體馬鈴薯種質資源材料

2019年，《科學》(Science)期刊在封面發(fā)布“The new potato”，認為二倍體雜交馬鈴薯有可能帶來馬鈴薯產業(yè)的“綠色生命” (圖2)。鑒于二倍體雜交馬鈴薯巨大的潛在優(yōu)勢，全球最大的馬鈴薯種薯公司HZPC、德國種業(yè)巨頭KWS聯合美國食品巨頭Simplot、荷蘭新興育種公司Solynta以及美國威斯康星大學等多家科研機構和育種公司紛紛投入巨資，啟動二倍體雜交馬鈴薯科技攻關，搶占二倍體馬鈴薯雜交育種這個生物育種高地。

圖2 二倍體馬鈴薯雜交育種計劃是新的馬鈴薯育種方向

2 研究內容及發(fā)現點

2017年，時任中國農業(yè)科學院農業(yè)基因組研究所所長黃三文研究員聯合云南師范大學馬鈴薯科學研究院（以下簡稱“研究院”）等國內優(yōu)勢單位發(fā)起“優(yōu)薯計劃”，加入二倍體雜交馬鈴薯研發(fā)激烈的國際競爭中(圖3)。

圖3 中方團隊與來自歐洲、北美洲的科研團隊開展激烈的競爭

在國家集中力量辦大事的體制優(yōu)勢下，中國團隊雖然起步較晚，但卻率先取得重大突破。先后克隆了二倍體馬鈴薯自交不親和、自交衰退基因，破解了培育二倍體馬鈴薯自交系的秘密。在此基礎上，團隊率先培育出二倍體雜交馬鈴薯“優(yōu)薯1號”。相關成果以研究院為第一完成單位發(fā)表在國際知名學術期刊《自然·植物》(Nature Plants, 2018)、《自然·遺傳》(Nature Genetics, 2019)和《自然·通訊》(Nature Communications, 2021)；以研究院為第一單位發(fā)表在《細胞》(Cell, 2021)、《分子植物》(Molecular Plant,2022)；入選了中國農學會評選的《2021中國農業(yè)農村重大新技術新產品新裝備》。相關發(fā)現如下：

一是二倍體馬鈴薯普遍存在自交不親和的現象，限制了自交系的創(chuàng)制。在馬鈴薯、番茄等茄科植物中，自交親和性與植物攜帶的SLF (S-locus Fox)蛋白和S-RNase (S-ribonucleases)酶類型密不可分。S-RNase酶是一種細胞毒性蛋白，僅在花柱中特異表達并被分泌到花柱傳導組織，是花粉進入雌蕊的“鎖”；SLF蛋白僅在花粉中特異表達，它們像一把“鑰匙”，雖然不能識別自身的“門鎖”，卻能識別其他材料攜帶的“門鎖”，進而通過26S蛋白酶把“門鎖”降解，保證了雜交親和。團隊利用兩種策略解決馬鈴薯自交不親和難題。首先創(chuàng)新性地利用基因組編輯技術對S-RNase進行了定點突變，破壞阻礙花粉進入雌蕊的“鎖”，從而獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯新種質材料。相關成果發(fā)表在《自然·植物》(Nature Plants, 2018)，獲《自然·植物》(Nature Plants)專評 “開辟了二倍體馬鈴薯育種新路徑”和F1000推薦。另一方面，團隊也開始尋找可以開“鎖”的“鑰匙”。1998年，日本科學家首次報道了抑制馬鈴薯自交不親和的Sli位點，但由于馬鈴薯自交親和表型易受外界環(huán)境干擾，該基因一直未被克隆。團隊巧妙利用含有Sli位點的植株自交后代出現偏分離現象，最終從花粉RNA中克隆了Sli基因。團隊進一步發(fā)現Sli蛋白像一把“萬能鑰匙”，可被廣泛應用于打破二倍體馬鈴薯的自交不親和性，在創(chuàng)制二倍體馬鈴薯自交系中具有重要的作用(圖4)。相關成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications, 2021)，被編輯選為當期亮點論文，并獲F1000推薦“該基因對馬鈴薯雜交育種非常重要”。

圖4 Sli基因是打破二倍體馬鈴薯自交不親和的“萬能鑰匙”

二是與其他谷物類糧食作物不同，馬鈴薯是依靠薯塊繁殖的同源四倍體物種。隱性有害等位基因隱藏在高度雜合的四倍體基因組中，使得優(yōu)良等位基因很難聚合在一起，這是導致馬鈴薯育種周期長的主要原因。團隊通過對151份二倍體馬鈴薯進行重測序，鑒定了全基因組范圍內共344 831個有害突變。這些有害突變在近著絲粒區(qū)域富集，因此很難通過遺傳重組將它們全部清除，但可通過精心設計的雜交組合使這些有害突變保持在雜合狀態(tài)，獲得具有雜種優(yōu)勢的F1雜交種。為進一步鑒定這些有害突變的遺傳效應，團隊構建了3個自交群體，并開發(fā)了一套不依賴于親本的基因分型方法?；谠摲椒ǎ?個群體中鑒定了15個極端偏分離的區(qū)域，暗示這些區(qū)域含有大效應的有害突變。結合表型分析，鑒定了5個純合致死位點以及4個影響長勢的位點(圖5)。在此基礎上，團隊對其中的一個致死突變ar1進行了圖位克隆和功能驗證，發(fā)現它控制胚的發(fā)育。等位基因頻率分析發(fā)現，ar1在馬鈴薯群體中是一個稀有突變。有意思的是這些大效應的有害突變主要位于重組率比較高的區(qū)域，說明是可以通過遺傳重組將它們有效清除的。本研究為二倍體馬鈴薯分子設計育種提供了理論基礎，也為解析其他無性繁殖作物的自交衰退提供了借鑒。相關成果發(fā)表在《自然·遺傳》(Nature Genetics, 2019)，同時獲《分子植物》(Molecular Plant)專評 “為雜交馬鈴薯育種奠定堅實的分子基礎”?！犊茖W》(Science)期刊綜述指出相關成果推動了雜交馬鈴薯育種進程。

圖5 馬鈴薯全基因組范圍內的偏分離及自交衰退相關表型

三是要實現二倍體雜交馬鈴薯育種，需克服2個關鍵障礙：自交不親和與自交衰退。在前期成功解析了馬鈴薯自交不親和、自交衰退的分子機制后，團隊對馬鈴薯自交衰退的遺傳基礎進行了系統(tǒng)解析。研究發(fā)現，導致自交衰退的有害突變鑲嵌分布在馬鈴薯的2套基因組中，無法通過重組將它們徹底淘汰。但是，不同馬鈴薯中的有害突變具有個體差異性，可以通過對遺傳背景差異大的自交系進行雜交來掩蓋雜交種中有害突變的效應。這些研究表明，基于表型選擇的育種策略，難以克服自交衰退的問題，必須借助于基因組大數據開展設計育種，才能有效地淘汰有害突變。在此基礎上，團隊借助在基因組學研究方面的優(yōu)勢，利用基因組大數據進行育種決策，建立了雜交馬鈴薯基因組設計育種流程。最終團隊培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優(yōu)薯1號”。小區(qū)試驗顯示“優(yōu)薯1號”的產量接近3噸/畝，具有顯著的產量雜種優(yōu)勢。同時，“優(yōu)薯1號”具有高干物質含量和高類蘿卜素含量的特點，蒸煮品質佳。相關成果發(fā)表在《細胞》(Cell, 2021)，也入選了中國農學會評選的《2021中國農業(yè)農村重大新技術新產品新裝備》(圖6)。

圖6 2021年中國農業(yè)農村重大新技術新產品新裝備

3 促進科學發(fā)展的重要意義

傳統(tǒng)四倍體馬鈴薯育種存在兩個結構性障礙：一是四倍體遺傳特性造成育種困難且栽培品種遺傳基礎狹窄，難以進行種質資源創(chuàng)新；二是薯塊繁殖成本高且繁殖效率低?！岸扼w雜交育種-種子繁殖”通過選育優(yōu)良的二倍體自交系，對不同自交系配制雜交組合，利用雜種優(yōu)勢，選擇優(yōu)良的F1雜交種子用于生產。該技術體系是馬鈴薯研究人員的夢想，被譽為馬鈴薯科研“皇冠上的明珠”。

“優(yōu)薯1號”的成功選育獲“雜交水稻之父”袁隆平院士的肯定：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命” (圖7)。該技術證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯的遺傳改良進入了快速迭代的軌道。

圖7 袁隆平院士高度評價中方團隊取得的科研成果

當然，雜交馬鈴薯研究仍然處于起始階段，離產業(yè)化還有一段距離。目前的雜交一代與主栽四倍體品種還存在一定差距，特別是在抗病性和適應性方面。另外，雜交馬鈴薯種子大規(guī)模生產和種子育苗移栽技術也有待進一步研發(fā)。

綜上所述，二倍體馬鈴薯雜交育種技術與目前主流的四倍體馬鈴薯育種模式以及成熟的栽培技術體系互為補充，深入研究二倍體育種和四倍體育種存在的生物學問題及產業(yè)化問題，才能使我國在馬鈴薯基礎與育種應用研究上占據國際優(yōu)勢地位，最終為推進國家馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，解決飼料糧食依賴進口問題，保障國家糧食安全和鄉(xiāng)村振興提供科技支撐和技術保障。

4 代表性論文

1. Ye M, Peng Z, Tang D, et al. Generation of selfcompatible diploid potato by knockout of S-RNase.Nature Plants, 2018, 4(9): 651-654

2. Zhang C, Wang P, Tang D, et al. The genetic basis of inbreeding depression in potato. Nature Genetics, 2019, 51(3): 374-378.

3. Ma L, Zhang C, Zhang B, et al. A nonS-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes. Nature Communications, 2021, 12(1): 1-8.

4. Zhang C, Yang Z, Tang D, et al. Genome design of hybrid potato. Cell, 2021, 184(15): 3873-3883.

5. Bao Z, Li C, Li G, et al. Genome architecture and tetrasomic inheritance of autotetraploid potato.Molecular Plant, 2022, 15(7): 1211-1226.