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馬鈴薯育種實現(xiàn)顛覆性突破 第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世

放大字體  縮小字體發(fā)布時間:2021-06-29  瀏覽次數(shù):153
導(dǎo)讀:馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物,全球有13億人口以馬鈴薯為主食,是全球第三大主糧,也是中國的第四大主糧。但是千百年來...

馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物,全球有13億人口以馬鈴薯為主食,是全球第三大主糧,也是中國的第四大主糧。但是千百年來,它的生產(chǎn)都依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖,導(dǎo)致繁殖系數(shù)低、儲運成本高、易攜帶病蟲害……近年來,我國科學(xué)家們正在開展一項“優(yōu)薯計劃”來改變這一狀況。

近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所(簡稱基因組所)黃三文團隊最新研究成果實現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新,第一代基因組設(shè)計的雜交馬鈴薯問世,用二倍體育種替代四倍體育種,用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。6月24日,國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了題為“Genome design of hybrid potato(雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計)”的研究成果。這標(biāo)志著“優(yōu)薯計劃”實施以來取得了里程碑式突破。

與其他糧食作物不同,馬鈴薯是進(jìn)行無性繁殖的同源四倍體物種。什么是四倍體呢?論文第一作者、基因組所張春芝研究員告訴記者:通俗地說,就是有四套基因組。我們?nèi)祟愂嵌扼w物種,遺傳比較簡單,而四倍體物種就比較復(fù)雜,無論是做育種還是做研究,挑戰(zhàn)都非常大。

馬鈴薯遺傳的復(fù)雜性,導(dǎo)致育種過程非常緩慢,全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。比如,美國的薯條加工型品種Russet Burbank,是1902年育成的,至今仍是美國的第一大品種。中國栽培面積最大的品種“克新1號”是1958年育成的,至今已經(jīng)種植了60多年。此外,馬鈴薯不靠種子繁殖,而是靠薯塊進(jìn)行無性繁殖,也導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)面臨著更多難題。

為了徹底解決馬鈴薯產(chǎn)業(yè)面臨的問題,在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下,基因組所黃三文研究員聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,即運用“基因組設(shè)計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯,用二倍體育種替代四倍體育種,并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù),是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。

二倍體育種已經(jīng)成為全球馬鈴薯界的研究熱點,各國科學(xué)家紛紛呼吁開展二倍體的研究和育種工作。基因組所所長黃三文樣研究員告訴記者,要實現(xiàn)二倍體雜交馬鈴薯育種,需克服兩個關(guān)鍵障礙:自交不親和與自交衰退。

黃三文說:“馬鈴薯自交不親和,也就是馬鈴薯自花授粉后不會產(chǎn)生種子的問題。我們通過材料篩選和基因編輯,徹底解決了馬鈴薯靠種子自身繁育的問題。同時我們又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致植株長勢弱、產(chǎn)量降低等表現(xiàn)的有害突變位點。我們通過‘基因組設(shè)計’,淘汰有害突變、聚合優(yōu)良基因,最終解決了自交衰退的問題,選育出具有顯著雜種優(yōu)勢的‘優(yōu)薯1號’品系!

2020年11月,在云南省德宏州盈江縣,“優(yōu)薯1號”進(jìn)行了小區(qū)試驗。今年2月,馬鈴薯成熟采收后測產(chǎn),第一代新品種馬鈴薯的種植效果遠(yuǎn)超預(yù)期。張春芝表示:“當(dāng)?shù)刈詈玫鸟R鈴薯品種每畝產(chǎn)量也就3噸左右,十多年來產(chǎn)量沒有明顯提升。而第一代雜交的馬鈴薯畝產(chǎn)就接近了3噸,以前種植一畝馬鈴薯需要200公斤種薯,而現(xiàn)在用種子只需要2克,種植成本大大降低!背朔N植成本降低, “優(yōu)薯1號”的品質(zhì)也很好,具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點。

張春芝說:“以前在四倍體水平上進(jìn)行的馬鈴薯育種,每一次雜交都是對四套基因組的重排,育種結(jié)果不可預(yù)測,F(xiàn)在利用雜交馬鈴薯育種體系,育種家可以利用現(xiàn)代育種技術(shù)在已有自交系的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向改良,選擇配制最佳的組合! “優(yōu)薯1號”選育的成功,證明了雜交馬鈴薯育種的體系是可行的,預(yù)示著馬鈴薯育種即將進(jìn)入一個快速迭代的過程。據(jù)介紹,目前,“優(yōu)薯1號”的抗病性還較差,但利用雜交育種技術(shù),可以實現(xiàn)品種的快速迭代,在較短時間內(nèi)提高“優(yōu)薯1號”的抗病性。下一步,科研團隊還將加強大規(guī)模雜交制種、種子育苗移栽等技術(shù)研發(fā),為馬鈴薯種子的產(chǎn)業(yè)化推廣做準(zhǔn)備。

 
 
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