2023-05-22 11:09:42
研究團(tuán)隊(duì)利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種示意圖。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)供圖
很少有人知道，我們在快餐店吃的薯?xiàng)l幾乎都來自100多年前育成的馬鈴薯品種——作為全球人口的主糧之一，馬鈴薯育種進(jìn)程之緩慢可見一斑。中國科學(xué)家為此提出了“優(yōu)薯計劃”，目的就是讓中國乃至全世界的人們吃上更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯（又名土豆）。
如今，這項(xiàng)計劃迎來重大突破：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員黃三文團(tuán)隊(duì)研究發(fā)明了一種“進(jìn)化透鏡”技術(shù)，給農(nóng)業(yè)育種家一雙“火眼金睛”，能夠及早發(fā)現(xiàn)出阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走錯路”，讓優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)土豆更快面世。
前不久，這一最新研究成果的論文以“利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種”為題，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）。
“這項(xiàng)研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，從科學(xué)上和育種上講都是非常重要的，對其他作物育種同樣具有重要啟示?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康點(diǎn)評說，該研究預(yù)示著作物育種進(jìn)入一個新階段，即育種家們不能僅僅關(guān)注自己的“一畝三分地”，還需要從一個更大的進(jìn)化維度思考育種的新策略。
土豆的綠色革命
黃三文為該論文的通訊作者，據(jù)他介紹，馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，也是我國第四大主糧作物，具有產(chǎn)量高、用水少、可種植地域廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)栽培馬鈴薯是同源四倍體，基因組復(fù)雜，導(dǎo)致育種進(jìn)程十分緩慢。此外，薯塊無性繁殖還面臨著繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等問題。
為解決上述難題，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，旨在用二倍體馬鈴薯替代四倍體、用種子繁殖替代薯塊繁殖、用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯育種，徹底變革馬鈴薯的育種繁殖方式。
“我們有兩個目標(biāo)，一個是將馬鈴薯的育種周期由原來的10-12年縮短至3-5年，一個是繁殖系數(shù)提高1000倍?！秉S三文說。
2020年11月，黃三文團(tuán)隊(duì)帶著基因組設(shè)計育種獲得的第一代二倍體馬鈴薯雜交種子，專程拜訪了當(dāng)時還在世的袁隆平院士，向他詳細(xì)介紹了“優(yōu)薯計劃”研究取得的突破性進(jìn)展。袁隆平聽取匯報后十分開心，專門為“優(yōu)薯計劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。
盡管如此，馬鈴薯基因組中存在的有害突變，仍然是擺在研究團(tuán)隊(duì)面前的一座大山。要說清楚這一問題，還要從達(dá)爾文的進(jìn)化論說起。
當(dāng)前地球上多種多樣的物種是經(jīng)歷了億萬年的進(jìn)化而形成的，進(jìn)化過程中，物種的基因組并非一成不變，不過一些具有重要功能的位點(diǎn)是不會改變的，它們會在進(jìn)化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現(xiàn)象為“進(jìn)化約束”，把這些位點(diǎn)稱為“進(jìn)化保守位點(diǎn)”。
找到那些高度保守的位點(diǎn)，正是“優(yōu)薯計劃”的關(guān)鍵。
不選壯苗選弱苗
論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后吳瑤瑤告訴中青報·中青網(wǎng)記者，團(tuán)隊(duì)為此收集了大量茄科物種資源，完成了38個茄科基因組的組裝，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將100個茄科物種的基因組進(jìn)行比較，最終開發(fā)出新的進(jìn)化透鏡技術(shù)。
進(jìn)化透鏡，又被稱為“歷史透鏡”，即通過生物體的進(jìn)化歷史快速、有效地鑒定并定量進(jìn)化保守位點(diǎn)，其最長橫跨8000萬年進(jìn)化歷史，累計達(dá)12億年。團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)鑒定出1700萬個高度保守的位點(diǎn)，其中36%位于先前被認(rèn)為沒有功能的非編碼區(qū)域。
“這些位點(diǎn)在億萬年的進(jìn)化過程中都很難發(fā)生改變，說明它們對馬鈴薯的生存是極為重要的?！眳乾幀幷f，如果這些位點(diǎn)發(fā)生了突變，有可能對馬鈴薯造成繁殖力下降、生活力降低、產(chǎn)量減少等不良影響。
團(tuán)隊(duì)利用這些保守位點(diǎn)信息，結(jié)合馬鈴薯群體的信息，構(gòu)建了馬鈴薯有害突變二維圖譜，將人們對馬鈴薯基因組的認(rèn)知從一維的線的認(rèn)識升級到二維的面的認(rèn)識。有了圖譜，馬鈴薯育種家就可以精確剔除馬鈴薯中有害突變，篩選好的育種材料，預(yù)測馬鈴薯產(chǎn)量等表型。
根據(jù)進(jìn)化透鏡解析馬鈴薯的有害突變二維圖譜，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)育種過程中，選擇生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系起始材料的做法可能會南轅北轍，可能會導(dǎo)致在選育過程中子代從父母本中獲得更多有害突變反而不利于馬鈴薯的自交系構(gòu)建。相反，生長較弱的馬鈴薯遺傳給子代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。
“這一‘不選壯苗選弱苗’的反直覺規(guī)律，不僅顛覆了以往的認(rèn)知，而且還能夠提早2-3年預(yù)測馬鈴薯的自交系育種結(jié)果，從而快速創(chuàng)建更多優(yōu)良馬鈴薯自交系?！秉S三文說。
種業(yè)創(chuàng)新“皇冠上的明珠”
黃三文告訴記者，借助該圖譜，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個新的預(yù)測模型，科學(xué)家可以利用它解讀馬鈴薯的基因，只需要苗期的DNA，就可以提前預(yù)測馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，讓人們更快地享受到更好的馬鈴薯品種。
評審專家認(rèn)為，該成果可以更好地指導(dǎo)馬鈴薯育種決策，加速馬鈴薯育種進(jìn)程，標(biāo)志著我國馬鈴薯育種已經(jīng)領(lǐng)先全球，率先進(jìn)入了基因組設(shè)計育種新時代。
“如何將塊莖繁殖的四倍體馬鈴薯，變革為種子繁殖的二倍體雜交馬鈴薯，是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的世界性難題，也是種業(yè)創(chuàng)新‘皇冠上的明珠’。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院黨組書記楊振海說，“優(yōu)薯計劃”團(tuán)隊(duì)相繼破解了馬鈴薯基因組解析、自交不親和、自交衰退等重大難題，培育出第一代自交系材料及雜交種，相關(guān)成果均已在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，如今又為馬鈴薯育種親本選擇及品種改良提供新的科學(xué)依據(jù)。這些原創(chuàng)性基礎(chǔ)性科研成果既得到了國內(nèi)外同行的高度認(rèn)可，也為加快實(shí)現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋認(rèn)為，這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用。
中國科學(xué)院院士、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員錢前說，這項(xiàng)研究基于茄科植物進(jìn)化基因組學(xué)，開發(fā)進(jìn)化透鏡技術(shù)，鑒定了馬鈴薯基因組上的有害突變，并將其應(yīng)用到解決馬鈴薯育種難題中，大幅地提高馬鈴薯全基因組預(yù)測效率，這將實(shí)現(xiàn)雜交馬鈴薯育種的早期決策，加速育種進(jìn)程，通過剔除有害變異和聚合有益變異的策略，有望在短期內(nèi)通過基因組設(shè)計創(chuàng)建更多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交馬鈴薯。
“我們農(nóng)業(yè)育種離不開大數(shù)據(jù)，離不開遺傳學(xué)、基因組學(xué)的布局。這一最新成果即便在國際上也是獨(dú)樹一幟的?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任韓斌說，研究團(tuán)隊(duì)敏銳地捕捉并完成了這一前沿并具挑戰(zhàn)性的工作，創(chuàng)新性地應(yīng)用了比較基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)來指導(dǎo)馬鈴薯育種，對我國種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。
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