中国农科院:一亩马铃薯只需2克种子2019-05-13 11:32

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  近日,由中国农科院深圳农业基因组所(下称“基因组所”)与云南师范大学(下称“云师大”)马铃薯科学研究院共同完成的“马铃薯自交衰退的遗传基础”在《自然?遗传》(Nature Genetics)杂志在线发表,这是“优薯计划”实施以来取得的第二项重大理论突破。

  马铃薯既是蔬菜也是排在水稻与小麦之后的世界第三大粮食作物,地位“超然”。国际马铃薯中心于1971年成立,1998年起中国每年举行马铃薯大会,而2016年云师大联合基因组所、云南英茂集团成立了世界上首家马铃薯科学研究院。但马铃薯种植一直存在瓶颈,主要依靠薯块,不易运输保存、易染病,种植成本高。近年来,全世界科学家在马铃薯“种子化”进程上全力“赛跑”,中国科学家相继解决了马铃薯自交不亲和与自交衰退两大关键问题,也就是如何培育出马铃薯的种子和如何保证用种子种出来的马铃薯更大更壮。

  科学家在谈到马铃薯时都提到“四倍体”,简单地说,体细胞中含有4个染色体组的生物个体就是“四倍体”。由于四倍体基因高度杂合,使得优良基因很难聚合在一起,所以育种周期长。另外,薯块繁殖成本高,1公斤薯块只能收获10公斤的马铃薯,且易感染病虫害。

  

  为了破解这些难题,在农业农村部、深圳市和云南省的支持下,基因组所联合云师大等国内外优势单位发起了“优薯计划”,以基因组学和合成生物学为指导,用二倍体替代同源四倍体,并用种子替代薯块繁殖。该项目被中国农科院列为“重大产出科研选题”之一。

  “优薯计划”牵头人、基因组所所长黄三文表示,这是一场颠覆马铃薯育种和繁殖方式的“绿色革命”。他指出,过去种植一亩马铃薯需要200公斤薯块,现在只需2克种子,生产成本大大降低。而我国马铃薯种植面积近亿亩,由此产生的经济价值可想而知。

  黄三文表示,玉米杂交育种的成功经验为二倍体马铃薯杂交育种提供了重要借鉴。科研人员们找到了导致二倍体马铃薯自交无法产生种子的核糖核酸酶基因S-RNase,并通过基因组编辑方法敲除这个基因,得到了自交亲和、可产生种子的二倍体马铃薯。这一研究成果于2018年8月发表在《自然?植物》(Nature Plants)上。

  记者在云师大马铃薯科学研究院实验室里看到了二倍体马铃薯的花朵和果实。“马铃薯的花朵非常鲜艳,而且花期很长,十分适合观赏。”基因组所张春芝博士捧着自己培育的一盆二倍体马铃薯说。记者仔细观察,马铃薯的花很像较为纤细的喇叭花,而它的果实跟绿色的小番茄无异,闻起来还有股特殊的清香。

  “这是因为马铃薯是茄科植物,它与番茄可称之为‘姐妹’。”张春芝表示,在几百万年的进化过程中,马铃薯变成了块茎类作物,而番茄却变成了果实类作物,可见自然进化的力量之强。

  马铃薯种子是从果实里得出的,收集起一碟放在桌上,有点像一盘孜然。“现在二倍体马铃薯的种子非常小,相当于芝麻的十分之一,而且自交后表现出非常严重的自交衰退。”黄三文说,这就给科研团队提出了第二个问题,如何解决“自交衰退”问题。

  云师大马铃薯研究院副院长尚轶表示,其实自然界中70%的马铃薯种质资源为二倍体,科研团队通过对151份二倍体马铃薯进行重测序,鉴定了全基因组范围内共344831个有害突变。研究发现,有害突变聚集的“重灾区”在靠近着丝粒区域。着丝粒可以看作是两条染色臂之间的连接点,在这里脱氧核糖核酸(DNA)高度重复,重组率非常低,因此很难通过传统育种方法全部清除这么多的有害突变。

  研究进一步分析发现,任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11%,说明马铃薯中的有害突变具有品系特异性,可以通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态,获得具有杂种优势的F1杂交种。

  “为进一步鉴定这些有害突变的遗传效应,我们构建了3个二倍体马铃薯自交分离群体,并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。”张春芝表示,研究团队发现了马铃薯群体中的一个稀有突变。研究最终发现,这些大效应的有害突变主要位于重组率较高的区域,可以通过遗传重组将它们有效清除。

  这一研究成果近日发表在的《自然?遗传》上,也就是说二倍体马铃薯培育的两大障碍已被基本扫除。

  卢肖平表示,2018年7月的中国马铃薯大会上,来自国际马铃薯中心的首席科学家谈到了二倍体马铃薯的培育,并预计在5到7年左右取得突破。“当他们了解到中国的科研步伐后,完全没有想到会这么快。”

  据悉,科研团队下一步将通过淘汰自交衰退基因,获得优良的马铃薯自交系,选育优良的杂交组合,提高马铃薯种子品质,加强种子播种栽培管理,同时选取合适区域开展马铃薯种子的示范推广。

  “云南是马铃薯的‘第二故乡’。”云师大马铃薯科学研究院副院长李灿辉表示,云南的气候环境与马铃薯原产地南美洲安第斯山脉非常相似,而且一年四季可种植马铃薯,因此预计首批马铃薯种子的示范推广地区也将在云南省选择。

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