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“我们吃的大部分土豆都来自一种叫Russet Burbank的土豆品种，这个品种于1902年培育，现在已经过了100多年。 而在我国，栽培面积最大的土豆品种，被称为克新1号，是我国科学家于1958年培育出来的，至今已过60年。”日前，在中国农科院深圳农业基因组研究所举行的发布会上，该研究员张春芝说：“过去，土豆
百年品种-Russet Burbank，1902年选育。 中国农科院供图
近日，《细胞》杂志在线发表了一篇名为《杂交马铃薯基因组设计》的论文，由中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队将马铃薯二倍体育种
据介绍，这一研究成果突破了百年来马铃薯育种的难题，为马铃薯杂交育种提供了全新的技术体系。
土豆的种子非常小，只有芝麻的六分之一。 中国农科院供图
世界第三大粮食作物，为何遭遇百年育种难题
2021年2月，在云南德宏州，一个普通试验田里，中国农科院的科学家收获了300多株特殊的土豆。
与普通土豆不同，这种被命名为“优薯1号”的土豆不是由块茎栽培的，而是由种子栽培的，肉质金黄，口感软糯，而且产量高，每亩可达3吨。 它的出现是马铃薯二倍体育种的实验结果，是突破百年马铃薯育种难题的标志，因而是一个标志性事件。
优藕1号为小区实验，产量可达3吨/亩。 中国农科院供图
土豆。 这种产自南美的作物，于16世纪由西班牙殖民者传入欧洲，随后几百年来，这种营养丰富、全面、耐寒、抗旱、耐瘠薄的作物迅速传遍全球，成为世界第三大粮食作物，全球共有13亿人在中国，土豆是小麦、水稻、玉米以外的第四大粮食作物，目前种植面积超过7000万亩，产量达1亿吨。
马铃薯是全球重要的粮食作物之一。 中国农科院供图
在农业科技快速发展的今天，粮食作物育种技术突飞猛进，品种更新迅速。 小麦、水稻、玉米、大豆等也是如此。 但土豆是个例外，目前世界上主要种植的土豆品种，都是几十年甚至一百年前培育出来的。
“不是这些老品种足够优秀，而是马铃薯育种本身的困难，使科学家们难以培育出新的更好的品种。 ”张春芝说。
土豆育种很难，用其特殊的基因组很难。 张春芝介绍说，目前主要粮食作物育种都是二倍体育种，而土豆是四倍体。 “二倍体是一种生物，有两套基因组，四倍体自然有四套。 一般来说，杂交育种是指通过杂交使作物获得新基因，使其稳定遗传，如高产基因或抗逆基因。 很明显，基因组倍数越高，杂交育种就越困难。”
块茎繁殖，土豆种子出了什么问题
土豆是茄科植物，和其他茄科植物一样开花结果，形状像圆茄子，但结头更小的果实。 成熟的果实含有种子，可以播种繁殖。
但在农业生产中，不使用种子而是用马铃薯块茎进行无性繁殖。 科学家表示，“土豆在生长中容易积累病毒，但通过块茎进行无性繁殖，很难去除积累的病毒。 这些病毒不影响人，影响新株生长，易感染病害，易减产，导致品种快速退化。 所以，在农业生产中，科学家们发明了脱毒技术，人们种植脱毒后的种薯来保障生产。 ”
块茎的繁殖和脱毒技术都会导致马铃薯生产成本的上升。 张春芝说：“切一个土豆种植，一般只能生产10倍左右的块茎。 种一亩土豆，一般需要200公斤土豆，成本非常高。 另外，种薯的栽培、储藏、运输、损耗等都比一般的粮食种子高。”
那么，为什么不使用种子进行生产呢？ 张春芝说，“传统的四倍体土豆种子也可以种植，但种植的土豆性状差异非常大，稳定性低，质量无法保证，大部分不如亲本土豆。 20世纪80、90年代，科学家曾推广四倍体种子种植，但最终因这个理由而停止。”
科学家们也曾试图突破4倍的体育种，培育出性状更稳定的新品种，但与二倍体育种相比，4倍体育种的难度在几何学上有所提高。 张春芝说：“在杂交育种中，育成的品种具有杂种优势，为了获得这一优势，杂交的父本和母本应该非常纯正，而不是庞杂。 在常规育种中，科学家们首先通过选育对双亲本进行纯化，然后纯化后使用的土豆育种也是如此，但问题是纯化四倍体土豆非常困难。 这第一步，屏蔽了很多科学家”。
种二倍体资源，找到另一条路
2015年，在农业农村、中国农科院和深圳市的支持下，基因组所和云南师范大学等机构启动“优薯计划”，运用“基因设计”的理论和方法体系培育杂交马铃薯。 黄三文团队是这个计划的执行者。
在4倍运动物种困难的环境下，科学家们开始寻找新的出路。 其中之一是二倍体育种。
“土豆能像其他粮食作物一样进行二倍体育种吗？”团队科学家之一张春芝说，“实际上是可行的。 在自然界中，许多生物都存在不同倍数性的植物体。 例如土豆，有二倍体，也有三倍体、四倍体、五倍体。 目前世界上栽培的主要品种，之所以都是四倍体，很难考证其具体原因，科学家们有很多猜测，比如最早从南美引进的是四倍体。 这些推测也不正确，但目前市场上培育的栽培体，确实以四倍体为主，在南美也有二倍体的农户种，但没有改良，适应性差，在其他地区没有推广价值。 ”。
实际上，马铃薯的二倍体育种也存在课题。 张春芝说，“第一个课题是自交不亲和。 如上所述，杂交必须有经过纯化的双亲才能进行，但二倍体马铃薯的自交不亲和，无法产生种子，无法进行纯化。”
突破这一难题的契机来自偶然发现的物种资源。 张春芝介绍说，团队的科学家们在国际土豆中心的种质库里，发现了有种子的二倍体。 这种天然的种质资源，给科学家们的育种带来了新的契机，“有了育种二倍体，就可以纯化，也为后续杂交育种奠定了基础。”张春芝说。
百年梦想的曙光
实际上，随着育种技术的进步，育种模式正在发生变化。 张春芝介绍，在获得天然自交亲和种质资源的同时，科学家们也通过技术，获得了人工自交亲和种质资源。 "通过基因测序、比较、鉴定、分析等方法找到了控制自交不亲和的基因，用基因编辑的方式敲除这些基因，得到了自交不亲和的材料. "
有了可繁殖的种质资源后，二倍体育种开始步入正轨，在渡过最初的难关后，还有许多新的难关。
张春芝说，与上世纪推广的四倍体马铃薯种子一样，二倍体马铃薯种子种植后也出现快速退化和分离的现象。 “自交品种衰退是我们面临的第二个难题。 研究表明，土豆自交后产生的物种比其前一代还要差很多。 其主要原因是有害突变，基因突变是生物常见现象，大多数情况下不会出现这些突变，对生物本身影响不大。 但是，这种极端的繁殖方式自交后，就像近亲繁殖一样，出现了许多有害的突变，导致后代表现较差。 ”
衰退是二倍体马铃薯杂交育种中的难题之一。 中国农科院供图
解决这个问题的方法，仍然是基因技术。 张春芝说：“通过基因组分析，在数万个突变中寻找、识别、识别这些不良突变后，可以通过两种方法来避免。 第一，使用差异大、互补性强的材料进行杂交，尽量避免出现其有害突变。 第二，在基因组中进行选择，淘汰那些具有显着效果的有害突变，获得更好的自交后代”。
300多株新材料是云南省德宏州大田首次栽培的“优芋1号”，于2021年2月收获。 张春芝说：“干物质含量高，口感软糯，颜色深黄色，含有非常高的类胡萝卜素，质量非常好。 另外，其产量接近每亩3吨，接近主流栽培的4倍体品种，高产潜力高”，实现土豆种子化栽培后，种一亩田只需要2克种子，而块茎栽培需要1亩土地200公斤。 这是天壤之别。 ”
优藕1号含有非常高的类胡萝卜素，蒸煮后金黄肉质口感极佳。 中国农科院供图
“优藕1号”是完善育种技术的一系列成果。 黄三文说：“我们在过去的研究中，设计了基因组设计的技术体系。 解决自交不亲和问题，获取自交系材料，解决自交衰退问题，再到杂交选育，是一套完整的技术体系。 例如，基因组设计可对应于一组设计芯片的基础技术，有了该技术，可设计出更多更好的芯片。 育种也是如此。 我们所做的是开发了这个设计体系，同时，这个设计体系在国际上处于领先地位。 “优薯1号”的出现，不仅仅是一个育种实验。 团队首席科学家黄三文说：“从四倍体育种到二倍体育种，从块茎繁殖到种子繁殖，一直是马铃薯育种和产业界的梦想，如今，这个梦想终于出现了曙光。”
北京新闻记者周怀宗
编辑唐峯校对李铭
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