你们可能很难想象，每天在KFC和麦当劳吃的薯条竟然都来自于一百二十年前育成的品种。作为全球13亿人口主粮的马铃薯，育种进程缓慢，亟需新的育种方法对马铃薯育种进行变革。为此，中国的科学家们提出了“优薯计划”，只为让中国乃至全世界的人们吃上更高产、更优质的马铃薯。“优薯计划”为热带作物生物育种研究提供了新的方法论。
5月4日，顶尖学术期刊《细胞》报道了热带作物生物育种全国重点实验室黄三文研究员的最新研究成果，题为“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用进化基因组学鉴定有害突变进而指导杂交马铃薯育种）”。该研究发明了一种新的“进化透镜”技术，给育种家一双“火眼金睛”，能够及早发现出阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”（科学家称之为“有害突变”），避免育种“走错路”，让我们能更快吃上优质的高产土豆。而这一技术最核心的理论，要从达尔文的进化论说起。
如今地球上多种多样的物种是经历了亿万年的进化而形成的，在进化过程中物种的基因组并不是一成不变的。但是，一些具有重要功能的位点是不能改变的，它们会在进化过程中保留在不同物种中，研究人员称这一现象为“evolutionary constraint”(进化约束)，这些位点称为进化保守位点。找到这些高度保守的位点是“优薯计划”的关键。为此，该团队收集了大量茄科物种资源，完成了38个茄科基因组的组装，并利用大数据技术，将100个茄科物种的基因组进行比较，最终开发出新的进化透镜技术。进化透镜，又称之为“历史透镜（最长横跨8千万年进化历史，累计达12亿年）”，即通过生物体的进化历史快速、有效地鉴定并定量进化保守位点。该团队利用该技术鉴定出17M高度保守的位点，其中36%位于先前被认为没有功能的非编码区域。这些位点在亿万年的进化过程中都很难发生改变，说明它们对马铃薯的生存是极为重要的。如果这些位点发生了突变，有可能对马铃薯造成繁殖力下降、生活力降低、产量减少等不良影响（研究人员称为有害突变）。研究人员利用这些保守位点信息，结合马铃薯群体的信息，构建了马铃薯有害突变二维图谱，将人们对马铃薯基因组的认知从一维的线的认识升级到二维的面的认识。有了这个的图谱，马铃薯育种家就可以精确剔除马铃薯中有害突变，筛选好的育种材料，预测马铃薯产量等表型。
根据进化透镜解析马铃薯的有害突变二维图谱，科学家们发现传统育种过程中，育种家使用生长更加健壮的马铃薯作为自交系的起始材料的做法可能会南辕北辙，可能会导致在选育过程中子代从父母本中获得更多有害突变反而不利于马铃薯的自交系构建。相反，生长较弱的马铃薯遗传给子代的有害突变更少，后期的自交育种成功率更大。这个结果不仅颠覆了以往的认知，而且还能够提早2-3年预测马铃薯的自交系育种结果。快速创建更多优良马铃薯自交系。
研究人员利用该图谱还开发了一个新的预测模型，科学家可以利用它解读马铃薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前预测马铃薯育种材料的产量、株高、薯块等性状，更好地帮助育种家制定早期育种决策，缩短马铃薯育种周期，让广大人民群众更快地享受到更好的马铃薯品种。
利用上述成果，可以更好地指导马铃薯育种决策，加速马铃薯育种进程，标志着我国马铃薯育种已经领先全球，率先进入了基因组设计育种新时代。
黄三文研究员为通讯作者，中国农业科学院农业基因组研究所博士后吴瑶瑶、博士后李大伟、硕士生胡勇为该论文的共同第一作者。基因组所博士生李宏博、奥胡斯大学Guillaume P. Ramstein教授，康奈尔大学Edward S. Buckler教授、苏黎世大学Thomas Städler教授、英国自然博物馆Sandra Knapp研究员、基因组所张春芝研究员、周永锋研究员、周绍群研究员、张新岩研究员、爱丁堡皇家植物园Tiina Särkinen研究员、马克斯·普朗克生物研究所博士研究生鲍志贵、中国科学院植物研究所周姚研究员、北京大学现代农学院宋宝兴研究员、慕尼黑工业大学Edeline Gagnon及中山大学张雨副教授为该研究提出了重要指导。
优薯计划介绍
由于马铃薯四倍基因组的复杂性，导致科学家对马铃薯改良的进程非常缓慢。例如，具有121年历史的“Russet Burbank”品种至今仍是市场上的主栽品种，该品种容易感染晚疫病、枯萎病等多种常见的病害。并且目前马铃薯的种植方式是使用薯块进行种植，薯块易携带病虫害，并且运输及储存成本高。
为了解决马铃薯产业面临的难题，黄三文研究员联合国内外优势单位发起了“优薯计划” ，引领马铃薯产业的“绿色革命”。“优薯计划”有两个目标，一个是利用基因组学的方法简化马铃薯基因组（即用二倍体马铃薯替代四倍体马铃薯），这样可以缩短马铃薯的育种周期，由原来的10～12年缩短至3～5年；第二是使用杂交种子替代薯块繁殖，将繁殖系数提高1000倍，极大的降低种植成本，并且种子的体积小易于运输，不易携带病虫害。
自交不亲和（植物自花授粉后不能产生种子）及自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降）是妨碍马铃薯育种进程的两大障碍。为解决这一问题，黄三文团队先后解析了单倍体、二倍体及四倍体马铃薯基因组（Nature, 2011; Nature Genetics, 2020; Molecular Plant, 2022），打破了马铃薯自交不亲和（Nature Plants, 2018; Nature Communications, 2021），解析了马铃薯演化及薯块演化的规律（Nature，2022），初步解析了自交衰退的遗传基础（Nature Genetics, 2019），通过剔除极大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种（Cell，2021; JIPB，2022）。并获得袁隆平院士点赞“优薯计划”题词：“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新，将带来马铃薯的绿色革命”。尽管如此，马铃薯基因组中存在的有害突变仍然是个大问题。本研究利用进化基因组学，开发进化透镜，从全基因组层面探明了有害突变全貌，绘制了首个包含基因型维度及有害程度维度的马铃薯有害突变二维图谱，为下一步指导亲本选择及品种改良提供了新依据。
专家点评
中国科学院院士、崖州湾实验室主任、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋:
黄三文团队这一研究成果不仅对马铃薯，还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌:
黄三文团队能够敏锐的捕捉到并完成世界最前沿最挑战性的工作，在这次最新的研究中，他们创新性地应用了整个茄科的比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种，思路新颖，引领了世界马铃薯遗传育种研究，对我国种业技术创新具有重要意义。
中国科学院院士、中科院植物所研究员种康:
黄三文团队的这项研究是马铃薯育种的里程碑式成果，预示着作物育种进入一个新的时代，即育种家们不能仅仅关注自己的“一亩三分地”，更需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。
中国科学院院士、复旦大学校长金力:
黄三文团队在Cell发表的这项研究与上周的Science专刊通过对240种哺乳动物基因组的进化约束研究，两者有异曲同工之妙。
中国科学院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员钱前:
优薯计划不仅理论创新，面临更多挑战，黄三文团队经过多年攻关，终于做出来了，有望在短期内通过基因组设计创建更多高产优质杂交马铃薯。
中国农业大学教授、国家玉米改良中心主任赖锦盛:
黄三文团队的研究终于找到了反直觉筛选的遗传学基础，开发了全基因组预测新模型将其应用到杂交马铃薯育种的早期决策，标志着我国马铃薯育种绝对达到国际前沿。
明尼苏达大学教授彼得·莫雷尔:
优薯计划是最雄心勃勃的计划之一，可能是我听说过的有魄力的项目之一。黄三文团队设计实验并有效鉴定出有害的遗传变异，进而达到能够长期不断改良产量等性状。
原文链接（点击阅读原文查看）：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00405-1
