“新的技术，可能让马铃薯育种进入全新的阶段，在未来，马铃薯育种会像小麦、玉米那样，每三五年就会更新一次。”
很少有人了解，在快餐店里吃的薯条，它们的品种是一百二十年前育成的。百年来，育种科学家们一直在尝试培育更好的马铃薯，但效果并不理想。
在育种科技飞速发展的今天，马铃薯育种却进程缓慢、迟迟难以获得突破性进展。是什么影响着马铃薯品种的培育，又该如何解开百年难题？
2023年5月4日23点，全球顶级期刊《细胞》杂志报道了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队的最新研究成果，该成果利用进化基因组学最新方法，并发明了一种新的“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”避免育种“走错路”，加速马铃薯育种的进程。
“该成果将成为马铃薯育种实现杂交育种的关键基础。”中国科学院院士李家洋表示，“该研究和一系列相关成果，奠定了我国在马铃薯遗传育种研究领域的国际优势地位。”
利用进化基因组学鉴定马铃薯保守位点信息，结合马铃薯群体的信息，构建了马铃薯有害突变二维图谱（上图）。利用该图谱发现了‘不选壮苗选弱苗’的反直觉规律，可以有效选取自交系的起始材料（左下图）。同时，利用该图谱开发了一个新的全基因组预测模型，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（右下图）。中国农科院供图
育种难题，为何百年难以突破
马铃薯是我国第四大粮食作物，也是全球最主要的粮食来源之一，数据显示，在全世界，有13亿人以马铃薯为主要粮食。
马铃薯产量高、用水少、耐瘠薄，可以在贫瘠的山地、边缘土地上种植，是优质的粮食作物。然而，传统的栽培马铃薯是同源四倍体，也就是有四套基因组，这使得它的育种比有两套基因组的水稻、玉米等，复杂了许多。更麻烦的是，二倍体马铃薯具有自交不亲和和自交衰退的特征，也就是说，将马铃薯进行自交后，无法产生成熟的种子，或者自交之后，后代各种性状如产量等，远低于父母代。
这些问题使得马铃薯的育种难以利用现代有性技术，而更多依靠无性繁殖的方法，也就是块茎繁殖。因此，马铃薯育种进展极其缓慢。中国农科院基因组所博士后吴瑶瑶介绍，当前快餐店做薯条的马铃薯，还是一百二十年前育成的，在全球各地普遍种植。“并不是它有很多优点，恰恰相反，它很容易感染马铃薯晚疫病等各种病虫害，之所以还在用它，是因为没有出现比它更好的品种。”
传统的主栽品种，除了容易感染疾病外，块茎种植的方式，还使得它的成本更高且更容易被各种植物病毒侵害，吴瑶瑶介绍，“用块茎种植，繁殖系数只有一比十，收获十份马铃薯，得留一个马铃薯作为种薯，一亩地需要二百公斤的薯块，这也意味着马铃薯种植成本较高，且极大地降低了产量，并且薯块繁殖运输成本高，还易感染病虫害。”
优薯计划，开启一场十年攻关
马铃薯育种亟需变革，不仅在中国如此，在全球也是如此。事实上，相关的技术攻关早已经开始，但进展并不多，国外育种团队将一个品种连续自交九代，但仍然有20%的基因组都是杂合的，难以利用。
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”。黄三文研究员介绍，团队最初的目标，是把马铃薯繁殖的方式，从块茎繁殖，转变为种子繁殖，种子繁殖有许多优点，一方面可以把育种周期从十年以上，降低到三年左右。另一方面，用种子繁殖代替薯块繁殖，马铃薯的种子非常小，一亩地只需要两克，成本极低。同时，相对薯块，种子携带的各种病毒非常少，如果实现，有可能改变种薯脱毒的历史。
如何实现“优薯计划”？黄三文研究员介绍，攻关的第一步，是建立高度纯合的自交系，高度纯合的自交系，可以使杂交种保持性状的一致，也就是说，产量、品质都相对一致，这是品种产生的必要条件。而要建立自交系，就需要克服两个困难，第一是自交不亲和，第二是自交衰退。事实上，国际上曾经九代自交而没有成功建立自交系的原因，正是因为自交衰退。
为实现这一目的，黄三文团队利用最新的基因组技术和工具，拼接了马铃薯双单倍体、二倍体和四倍体及泛基因组，并彻底打破自交不亲和的问题，使四倍体的自交，可以产生成熟的后代。初步解析了自交衰退的遗传基础，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。
历史透镜，揭开十二亿年进化史
杂交育种中，通过连续自交，获得自交系是最关键的步骤。自交衰退（自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降）是动植物界的普遍现象。在马铃薯自交过程中，第二代、第三代可能会快速衰退，无法继续用于生产。甚至在育种过程中，自交后代本身的性状，可能比父本母本差很多。
“这主要是作物基因组中对作物有害的突变引起的。”黄三文研究员说，“要解决自交衰退的问题，就要知道有哪些有害突变，它们在哪里？有害程度有多高？又是怎样出现有害作用的？”
现代生物学的发展，使得科学家们对基因世界的认识越来越深入，也给育种家们提供了更好的工具。黄三文研究员介绍，“在前期，我们鉴定了一部分有害突变，并在育种中通过选择，剔除了一部分大效应的有害突变，在此基础上，育成了优薯1号。”
但更多的有害突变仍未清除，尤其是在育种的亲本中，并没有表现出来的“隐形问题”，很难用传统选育方法解决。这也意味着，马铃薯杂交育种中的重要难题“自交衰退”，其实并没有真正被解决。
为此，一个新的计划开启了，这也是本次《细胞》杂志发表的主要成果之一。黄三文研究员介绍，“新的计划是利用进化基因组学技术，去鉴定马铃薯基因中的有害突变，并对它们进行定量分析。”
如何才能鉴定出有害突变呢？科学家们选择了一种新的方法，他们收集了100份茄科和旋花科的材料，马铃薯是典型的茄科作物，它有和茄子、西红柿、辣椒等类似的茄果。旋花科和茄科同属于管状花目，代表作物是人们耳熟能详的红薯。
黄三文研究员介绍：“利用基因组技术，我们绘制了100多份材料的进化树，其中最长的相当于进化了八千万年，100份材料总进化时间为十二亿年。有了这个图谱，我们相当于有了一个可以看清楚十二亿年进化过程的历史透镜，我们就能知道，它们是怎么演变的。”
二维图谱，亿万年时光浓缩成一瞬
有了这个二维图谱可以为育种提供怎样的帮助？黄三文研究员介绍，“我们选择了一个角度，去分析整个进化树，即每一个基因位点的保守性。何为保守性？简单说，就是有哪些基因位点，是亿万年没有变的，这些没有变的位点，无疑是它们有着各种不可或缺的功能，如果这些基因发生突变，往往会对作物本身产生巨大的不利影响。简单来说，如果那些本来不该变的基因发生了变异，那么往往就意味着疾病、退化甚至死亡等不利的结果。”这些变异，基本上都可以被认为是对生物有害的突变。“由此，我们构建了一个新的图谱，即有害突变的二维图谱，二维，是指的基因本身的信息和保守值（突变后有害程度）两个维度。”
这张图谱的意义极为关键，吴瑶瑶介绍，“有了这个图谱后，我们就可以指哪儿打哪儿，高效地剔除对生物生长不利的有害突变。”
中国科学院院士钱前表示，这项技术大幅度提高了马铃薯全基因组预测效率，这将实现杂交马铃薯育种的早期决策，加速育种进程，通过剔除有害变异和聚合有益变异的策略，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。
“就在前不久，《科学》杂志发表了一项人类基因组进化约束区域的研究，而这些区域的变异，和人类的疾病发生直接相关。”中国科学院院士金力表示，“进化约束应用于医学人类疾病和作物育种方面的高水平研究，两者有异曲同工之妙。”
反向筛选，弱苗也可以出好种
进化透镜如何真正改变育种？吴瑶瑶介绍，最直接的影响，就是改变了我们选择制种起始材料的标准和方法。
在传统杂交育种中，科学家们会在田间选择那些长得更加茁壮的材料，进而一代代进行选育，最终选育出更好的品种。但通过进化透镜，团队科学家们发现，这并不适用于自交系培育。肉眼观察中长势更好的马铃薯材料，在连续自交之后，反而会遗传给后代更多的有害变异，“简单来说，当选择了看起来很好的材料，自交了四到六代之后，已经三五年过去了，最后得到的材料都不能用，不能用于构建高度纯合的自交系。”
有了有害变异的二维图谱，科学家们就可以基因层面进行筛选。然而有意思的是，“我们发现，长势好的材料，传给后代的有害变异反而更多，这是一个违反直觉的选择即反直觉选择。”吴瑶瑶说。
这种反直觉的选择，可以高效进行自交系培育，这是一个极为关键的突破。黄三文研究员介绍，“在历史上，美国在1910代开始做玉米的杂交育种，用了三十年时间，到1940年，才建成玉米相对成熟的自交系，然后又花了三十年，到1970年，总共花了六十年，基本完成了玉米杂交育种的突破，在这个过程中，玉米单产提高了八倍。”
值得一提的是，在玉米实现杂交技术的过程中，有经验的育种家也会反向选择材料，中国农业大学教授、国家玉米改良中心主任赖锦盛说，“玉米杂交中，育种家们会有意识地选择那些看起来比较弱的苗。如今，科学家终于找到了反直觉筛选的遗传学基础，让我们知道，我们为什么要这么做。”
“不选壮苗选弱苗，这一反直觉规律的发现，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。”中国科学院院士种康说。
育种革命，实现马铃薯杂交的关键突破
通过马铃薯进化的“进化透镜”，利用现代生物学技术，育种家们可以在更早的阶段介入到筛选过程中，帮助育种家们实现“早期决策”。
吴瑶瑶介绍，一般情况下，育种家们把育种材料种在地里，需要4个多月的时间才能看到最终的效果，比如产量，要等到成熟之后去测产。而当我们把马铃薯的有害突变二维图谱用于构建全基因组表型预测模型中，我们就能在幼苗期预测产量等性状，知道它是不是我们需要的材料，不需要的材料，就不去种了，这种早期选择，可以大幅度缩短马铃薯育种周期。
事实上，育种周期的缩短，只是结果之一，更重要的是开了进化透镜新利器，为突破了马铃薯育种缓慢的百年难题，为马铃薯繁殖方式转变、实现种子繁殖提供了最重要的工具。
“这是一个关键的突破，过去百年中，尽管全球的育种家们育成了很多新品种，但从本质上看，和一百年前没有质的突破，这也是百年前的品种，今天还在大规模种植的原因之一。而新的技术，可能将改变这一进程，使得马铃薯育种进入全新的阶段。在未来，马铃薯育种会像小麦、玉米那样，每三五年就会更新一次。”黄三文研究员说。
从薯块繁殖到种子繁殖，马铃薯育种的技术突破，影响的远不只马铃薯一种作物，中国科学院院士李家洋表示，这一成果，对粮、油、果、蔬、茶等多种作物的育种，都有重要的指导作用。
“其实当前还有许多作物的育种，有和马铃薯类似的难题。比如苹果，富士苹果我们种了四五十年了，还是原来的品种，葡萄还是种植了900年的老品种，香蕉也是无性繁殖的，现在种香蕉，是1862年培育的，类似的还有很多。如果我们能够把无性繁殖向有性繁殖的技术问题真正解决了，那么许多作物都可以通过这样的技术来改良品种。”
这一未来还有多远？黄三文研究员介绍，“我们用了十年的时间，研发的新成果可以帮助我们成功建立自交系，之后我们可能还需要五到十年的时间，才能真正实现种子繁殖。在历史上，美国实现玉米育种技术的变革，花了六十年，我们希望用二十年的时间完成马铃薯的变革。”