深圳科学家发明育种“新利器”，推动马铃薯育种达前所未有准确度
读创/深圳商报记者 张妍
5月4日24时，国际顶级学术期刊《细胞（Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（下称“基因组所”）黄三文团队的最新研究成果，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）”。
该研究通过利用进化基因组学开发进化透镜，高通量鉴定并整合全基因组功能位点、有害突变二维图谱，指导马铃薯育种决策，推动马铃薯育种达到前所未有的准确度，加速马铃薯育种进程，还能应用于其他作物育种预测中，是我国杂交马铃薯育种技术取得的又一重大突破。
突破培育马铃薯优质品种的第一步难题
马铃薯是最重要的块茎类粮食作物。与其他主粮作物相比，马铃薯有产量高、用水少、可种植地域广等优势，却一直以薯块种植，也就是无性繁殖的同源四倍体。马铃薯在长期的无性繁殖过程中，累积了大量的隐性有害突变，一旦自交之后，这些“看不见”的有害突变的各种不良效应便会显现出来，导致自交衰退，主要表现为生活力下降、不育、抗性减弱、产量降低等，严重妨碍高产优质的马铃薯品种的培育。另外，种植一亩马铃薯需要近200公斤的薯块，薯块繁殖具有储运成本高、易携带病虫害等缺陷。
近年来，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究团队联合多家单位发起了“优薯计划”，用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”，用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。
据介绍，培育马铃薯优质品种第一步，也是关键一步，是连续自交获得纯合品系（自交系），以此构建杂交种，才能保障后代植株整体长势整齐，收获的商品性质一致，这是培育优质杂交品种的先决条件。为了培育高产优质马铃薯品种，科学家需要找到优良的自交系起始材料用于培育优良的二倍体马铃薯杂交种，而如何鉴定并选择自交系亲本，以及进一步培育高产优质品种就成了摆在研究人员面前的一道难题。
光看“外表”选择亲本“靠不住”
研究人员收集了38份茄科材料，结合已发表数据，整理并比对了95份茄科材料、5份旋花科材料的基因组信息，“这些材料最长进化时间为8千万年，累计有12亿年进化时间。”研究人员表示，通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果，此项研究从全基因组层面鉴定了进化保守位点及其程度（进化保守值），保守值越高的位点具有更重要功能，这些位点突变后更可能对马铃薯产生不良效应，即有害突变。
此项研究将进化保守值，作为有害程度值，从而鉴定并定量了马铃薯有害突变。“可以说，我们的研究是通过开发进化透镜，从全基因组层面探明了有害突变全貌，从而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依据。”研究人员表示。
研究人员发现按照传统育种经验，一般会优先选择“看起来”长势良好的亲本材料作为自交系构建起始材料，然而，该研究发现，马铃薯自交系构建中，事实恰恰相反，长势良好的起始材料往往隐藏着更高的杂合有害突变及有害突变总量。也就是说，它们自交产生的后代中有害突变会更多，就更不易培育出优质的马铃薯自交系。
“这就是为什么光看‘外表’，也就是按照表型选择，会导致自交系构建失败的原因。”研究人员指出，此项研究提供了要依靠有害突变遗传总值来指导亲本选择的新依据，可以提早预判自交系构建成败，从而在短时间内创造更多自交系及杂交品种。
还能应用于其他作物育种预测中
选择了“理想”的亲本材料，构建了自交系，育种家们还要进行杂交组配及品种改良，需要等待漫长的生育周期，才能“看到”培育出的品种效果或性状，这一过程不仅会消耗大量的人力物力，还会严重拖缓马铃薯的育种进度。
有没有一种办法可以准确提前预测后代的马铃薯性状？黄三文团队提出了一种全基因组预测新模型，通过将有害突变信息纳入模型中，可大幅提高产量、株高、薯块等性状的预测准确度。
经测试，该模型相比没有害突变信息的模型的预测准确度显著提高了45%，相比随机有害突变信息模型的预测准确度提高了25%，在马铃薯育种中达到了前所未有的准确度。该新模型不仅能够更好地帮助育种家制定早期育种决策，还能应用于其他作物育种预测中。
此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国农业科学院、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。基因组所研究员黄三文为通讯作者，基因组所博士后吴瑶瑶、博士后李大伟、硕士研究生胡勇为该论文的共同第一作者，同时得到了来自英国、美国、瑞士、德国等多个国家地区的科研专家指导。
（相关链接）多位权威专家点评此项成果
中国科学院院士李家洋（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）点评说”我长期关注黄三文团队的科研进展，从最早的2011年第一个顶刊的开始不断有这个重大的突破。他们近十几年，包括这项研究和的一系列成果，奠定了我国在马铃薯遗传育种研究领域的国际优势地位。马铃薯不仅对我们国家确保粮食安全有重大意义，实际上他在支撑农民农村社会经济发展这个方面也有非常重大的意义。第一点，国际上经过9代自交无法获得高度纯合自交系，黄三文团队发现的反直觉选择法，可以避免选错材料，将会指导快速培育自交系。第二点，黄三文团队这一研究发现与上周《科学》发表的关于人类疾病的专刊的研究类似，都是通过比较基因组学研究进化约束。我们是农业大国，粮食安全是关键的，我们作物科学研究走在世界前沿。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。我期待他们培育出更多更好的杂交马铃薯新品种，为粮食安全和乡村振兴做更大贡献”。
中国科学院院士韩 斌 （中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任）说：“我们农业育种离不开大数据，离不开遗传学、基因组学的布局。黄三文团队杂交马铃薯领域取得的成果，在国际上也是独树一帜的。黄三文团队能够敏锐地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。”
种康院士（中科院植物所）点评说“黄三文团队的这项研究是马铃薯育种的里程碑式成果，从科学上来讲和育种上讲都是非常重要、前沿的，对其他作物育种同样具有重要的启示。他们充分利用了这样一个原理：如果基因组中某个位点保持了上亿年的稳定性，那么它一旦突变则可能产生非常重要的影响。他们发现在二倍体马铃薯自交系选育中，起始材料应该“不选壮苗选弱苗”这一反直觉规律。该研究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。”
金力院士（复旦大学校长）点评说“黄三文团队在Cell发表的这项研究通过茄科等100个基因组的比较分析，发现了马铃薯基因组有2.4%是进化约束区域，进而鉴定了几十万个有害变异，并创造性地把这些信息应用在杂交马铃薯育种上。不谋而合，上周的Science论文，通过对240种哺乳动物的比较基因组学对进化约束进行估算，发现人类基因组约10%的进化约束区域，这些区域的变异和人的疾病发生直接相关。我很欣慰，在一周内，看到了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。相信黄三文团队领导的‘优薯计划’不仅能够培育更多的马铃薯新品种，也能在育种方法论上取得新突破。”
中国科学院院士钱 前（中国农业科学院作物科学研究所研究员）说“黄三文团队的优薯计划在2013年10月份在深圳建所的时候就已经开始并取得一系列成绩了。优薯计划不仅理论创新，而且面临更多挑战，黄三文团队经过多年攻关，终于做出来了。这项研究基于茄科植物进化基因组学，开发进化透镜技术，鉴定了马铃薯基因组上的有害突变，并将其应用到解决马铃薯育种难题中，大幅地提高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。”
中国农业大学教授赖锦盛（国家玉米改良中心主任）说“杂交玉米最重要的是创建优良自交系，玉米育种家，会有意识地选弱的苗。今天，黄三文团队的研究终于找到了反直觉筛选的遗传学基础。这项工作通过开发进化透镜精绘制了马铃薯全基因组有害变异二维图谱，开发了反直觉选择和全基因组预测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。”
明尼苏达大学的教授彼得·莫雷尔点评说“我第一次听说二倍体马铃薯(育种)是在北京的学术会议上。这是最雄心勃勃的计划，可能是我听说过的有魄力的项目之一。马铃薯等多倍体物种的每个基因都有多个拷贝，因此想要培育出具有理想的农艺性状的优良品种是非常有挑战性的。二倍体马铃薯是在南美洲的安第斯山脉被驯化的，但是它们没有被育种家选择用于培育高产品种。人们早就认识到，密集选育改良会减少遗传多样性。最近的基因组水平研究表明植物改良可能导致有害突变的积累。在本研究中，黄三文团队报道了在二倍体马铃薯改良过程中，对有利性状及保留可持续的遗传改良潜能之间的的平衡选择的新技术。他们设计实验并有效鉴定出有害的遗传变异，这项研究最令人兴奋的地方是平衡多种因素，进而达到能够长期不断改良产量等性状。该研究是优薯计划在改良二倍体马铃薯过程中一系列探索和成果的重要组成部分。我很期待这个项目未来的发展，以及黄三文团队今后的研究成果。”
审读：谭录岗 田君
举报/反馈