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馬鈴薯育種實現顛覆性突破

馬鈴薯育種實現顛覆性突破

馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物,全球有13億人口以馬鈴薯為主食,是全球第三大主糧,也是中國的第四大主糧。但是千百年來,它的生產都依靠薯塊進行無性繁殖,導致繁殖系數低、儲運成本高、易攜帶病蟲害……近年來,我國科學家們正在開展一項“優(yōu)薯計劃”來改變這一狀況。

近日,中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所(簡稱基因組所)黃三文團隊最新研究成果實現了顛覆性創(chuàng)新,第一代基因組設計的雜交馬鈴薯問世,用二倍體育種替代四倍體育種,用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。6月24日,國際學術期刊《細胞》在線發(fā)表了題為“Genome design of hybrid potato(雜交馬鈴薯的基因組設計)”的研究成果。這標志著“優(yōu)薯計劃”實施以來取得了里程碑式突破。

與其他糧食作物不同,馬鈴薯是進行無性繁殖的同源四倍體物種。什么是四倍體呢?論文第一作者、基因組所張春芝研究員告訴記者:通俗地說,就是有四套基因組。我們人類是二倍體物種,遺傳比較簡單,而四倍體物種就比較復雜,無論是做育種還是做研究,挑戰(zhàn)都非常大。

馬鈴薯遺傳的復雜性,導致育種過程非常緩慢,全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。比如,美國的薯條加工型品種Russet Burbank,是1902年育成的,至今仍是美國的第一大品種。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的,至今已經種植了60多年。此外,馬鈴薯不靠種子繁殖,而是靠薯塊進行無性繁殖,也導致了產業(yè)面臨著更多難題。

為了徹底解決馬鈴薯產業(yè)面臨的問題,在農業(yè)農村部、中國農科院和深圳市的支持下,基因組所黃三文研究員聯合云南師范大學等國內外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,即運用“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。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術,是對馬鈴薯產業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。

二倍體育種已經成為全球馬鈴薯界的研究熱點,各國科學家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作?;蚪M所所長黃三文樣研究員告訴記者,要實現二倍體雜交馬鈴薯育種,需克服兩個關鍵障礙:自交不親和與自交衰退。

黃三文說:“馬鈴薯自交不親和,也就是馬鈴薯自花授粉后不會產生種子的問題。我們通過材料篩選和基因編輯,徹底解決了馬鈴薯靠種子自身繁育的問題。同時我們又發(fā)現了導致植株長勢弱、產量降低等表現的有害突變位點。我們通過‘基因組設計’,淘汰有害突變、聚合優(yōu)良基因,最終解決了自交衰退的問題,選育出具有顯著雜種優(yōu)勢的‘優(yōu)薯1號’品系?!?/span>

2020年11月,在云南省德宏州盈江縣,“優(yōu)薯1號”進行了小區(qū)試驗。今年2月,馬鈴薯成熟采收后測產,第一代新品種馬鈴薯的種植效果遠超預期。張春芝表示:“當地最好的馬鈴薯品種每畝產量也就3噸左右,十多年來產量沒有明顯提升。而第一代雜交的馬鈴薯畝產就接近了3噸,以前種植一畝馬鈴薯需要200公斤種薯,而現在用種子只需要2克,種植成本大大降低?!背朔N植成本降低, “優(yōu)薯1號”的品質也很好,具有高干物質含量和高類胡蘿卜素含量的特點。

張春芝說:“以前在四倍體水平上進行的馬鈴薯育種,每一次雜交都是對四套基因組的重排,育種結果不可預測?,F在利用雜交馬鈴薯育種體系,育種家可以利用現代育種技術在已有自交系的基礎上進行定向改良,選擇配制最佳的組合。” “優(yōu)薯1號”選育的成功,證明了雜交馬鈴薯育種的體系是可行的,預示著馬鈴薯育種即將進入一個快速迭代的過程。據介紹,目前,“優(yōu)薯1號”的抗病性還較差,但利用雜交育種技術,可以實現品種的快速迭代,在較短時間內提高“優(yōu)薯1號”的抗病性。下一步,科研團隊還將加強大規(guī)模雜交制種、種子育苗移栽等技術研發(fā),為馬鈴薯種子的產業(yè)化推廣做準備。

農民日報·中國農網記者 李麗穎

 
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