北京時間2023年5月4日，國際權威期刊《細胞（Cell）》在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所黃三文團隊的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進化基因組學鑒定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種）”。

該研究發(fā)明了一種新的“進化透鏡”技術，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進化約束及有害突變位點，繪制了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜，使我國在馬鈴薯育種基礎理論和技術上站在了世界領先地位。

繪制圖譜 精準鑒定進化突變

馬鈴薯育種是世界性難題，我們在快餐店吃的薯條還是來自120多年前育成的馬鈴薯品種，但是該品種容易感染病蟲害。

馬鈴薯之所以很難選育出相對較好的品種，因其有著“四套基因組”，遺傳分析很復雜。再加上，馬鈴薯屬于薯塊繁殖，繁殖系數(shù)僅1：10，相當于收獲10個土豆，人們需要留下一個作為“種子”，極大的增加了種植成本。

育種技術亟需變革。

人類早就發(fā)現(xiàn)，在進化過程中，物種的基因組并非一成不變。但是，一些具有重要功能的位點不會改變，它們會在進化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現(xiàn)象為進化約束（evolutionary constraint），把這些位點稱為進化保守位點。  

我國科學家團隊突破常規(guī)思維，將馬鈴薯育種放置在“進化論”這樣更廣的領域中去研究。

黃三文團隊便是這樣的開拓者。他們收集了100份茄科和旋花科的材料，通過基因組的比較分析，追蹤最長8千萬年、累計12億年的進化痕跡，在此基礎上開發(fā)出“進化透鏡”，用來發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進化約束及有害突變的點位，繪制了首個馬鈴薯有害突變二維圖譜。

黃三文介紹，“進化透鏡”技術的發(fā)明，給育種家安裝最強“火眼金睛”，讓他們能夠更早發(fā)現(xiàn)阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走彎路”，讓大家能夠更快吃上更優(yōu)質的高產土豆。

解讀基因 育種決策更提前

二維圖譜能夠指導育種家更有效的進行起始材料選擇。

研究人員利用該圖譜又提出反直覺的自交系培育方法，還開發(fā)了一個全基因組預測新模型。

科學家可以利用模型解讀馬鈴薯的基因組，只需要苗期的DNA，就可以提前預測馬鈴薯育種材料的產量、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，該成果加速馬鈴薯育種進程，提高了馬鈴薯產量25％－45％的預測精確度。

“這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用”中國科學院院士、崖州灣實驗室主任、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家洋點評時說。

“黃三文團隊的這項研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預示著作物育種進入一個新的時代?！敝袊茖W院院士、中科院植物所研究員種康給出高度評價。

明尼蘇達大學的教授彼得·莫雷爾認為，黃三文團隊設計實驗并有效鑒定出有害的遺傳變異，進而達到能夠長期不斷改良產量等性狀。

近年來，由中國科學家開展的“優(yōu)薯計劃”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，相關成果均已在國際頂尖學術期刊發(fā)表。

下一步，中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所團隊將根據(jù)模型選擇更多品種，運用二維圖譜指導馬鈴薯設計育種，聚合更多有利基因，培育高產優(yōu)質的馬鈴薯品種。

中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所黃三文研究員為該論文的通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士研究生胡勇為共同第一作者。來自中國、美國、英國、德國等多國專家對該論文提出了重要指導。

該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國農業(yè)科學院、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。