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百年马铃薯品种替代多难?中国团队验证了杂交育种的可行性

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物,全球有13亿人口以马铃薯为主食,系全球第三大主粮,也是我国的第四大主粮。近年来,我国的科学家们正在为其展开一项 优薯方案 。

北京时间6月24日晚间,尖端学术期刊《细胞》在线宣布了我国农业科学院深圳农业基因组研讨所黄三文研讨员等人完结的一项研讨,题为 Genome design of hybrid potato 。论文报导了研讨团队在杂交马铃薯育种范畴的研讨成果,这是 优薯方案 施行以来取得的里程碑式打破。

论文榜首作者、基因组所研讨员张春芝对汹涌新闻记者在内的媒体介绍道,团队现已培养出了榜首代高纯合度二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系 优薯1号 。小区实验显现, 优薯1号 的产值挨近3吨/亩,具有明显的产值杂种优势。一起, 优薯1号 具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特色,蒸煮质量佳。

值得注意的是,关于99%的纯合度,黄三文以为已实属不易,这是在技能不断进步之下才得以完成的。 对种子繁衍的水稻、玉米、小麦来说,100%的纯合度都不是问题,关于马铃薯却很困难。 几千年前,在南美洲的安第斯山脉,马铃薯被农人驯化,至今一向以薯块繁衍, 长时间的营养繁衍使得马铃薯的基因组高度杂合,把这种高度杂合的营养繁衍物种变成种子繁衍物种,在科学上是一个严重的应战。

这次 优薯1号 选育的成功,则证明了黄三文团队杂交马铃薯育种体系的可行, 这就能够使马铃薯育种进入一个快速迭代的进程。 张春芝标明。

值得一提的是,在杂交育种范畴,玉米、水稻都是马铃薯的 长辈 。就在上一年的11月8日, 优薯方案 团队得到了袁隆平院士的辅导。袁隆平院士其时对马铃薯杂交种子繁衍技能给予了高度点评,以为用杂交种子代替薯块繁衍,可有用处理马铃薯严重工业难题。袁隆平院士还专门为 优薯方案 题词: 马铃薯杂交种子繁衍技能是颠覆性立异,将带来马铃薯的绿色革命 。

此次宣布的这篇论文在称谢中也特别问候袁隆平院士,感谢他对 优薯方案 的辅导和鼓舞。

马铃薯工业需求一场 绿色革命

跨国连锁餐厅肯德基创建于1952年,它许多售卖的薯条的原资料系美国的薯条加工型种类Russet Burbank,但Russet Burbank的前史实际上比肯德基创建还要早半个世纪,而且至今仍是美国的榜首大马铃薯种类。

我国也有着相似的景象,现在我国培养面积最大的种类 克新1号 是1958年育成,至今现已培养了60多年。

一个种类能运用百年以上,并不是由于这个种类完美。 是由于它的育种很难,育种家这么多年了也没能选育出来一个种类能够代替这个,所以这便是育种难度的问题。 张春芝标明。

与谷物类粮食作物不同,培养马铃薯是依托薯块进行无性繁衍的同源四倍体物种。其基因组高度杂合,遗传剖析杂乱,导致马铃薯的遗传改进进程缓慢,育种周期一般为10-15年。

这是马铃薯工业的榜首个结构性妨碍,第二个则是薯块的繁衍系数低、储运本钱高、易带着病虫害。 咱们把1颗马铃薯种下去之后,收成的时分能够拿到10颗,也便是大约有1/10是不能用作粮食或许蔬菜的,要留下来接着再去用作种薯。

张春芝进一步说到,马铃薯用种薯种每亩地需求200公斤, 一是它价格贵;二是种薯不是每个当地都能出产的,假如要在广东种马铃薯,咱们需求从北方调运种薯,这个储运本钱就十分高;而且在贮藏和运送进程中,又简单感染各种病虫害,损耗比较大。 她给出一个数据,在所有收成的马铃薯中大约有13%直接被损耗, 这是一个巨大的糟蹋。

为完全处理马铃薯工业面对的上述问题,在农业乡村部、我国农科院和深圳市的支持下,黄三文联合云南师范大学等国内外优势单位发起了 优薯方案 。即运用 基因组规划 的理论和办法体系培养杂交马铃薯,用二倍体育种代替四倍体育种,并用杂交种子繁衍代替薯块繁衍。

研讨团队总结道,这是马铃薯育种和繁衍的新底层技能,是对马铃薯工业的颠覆性立异。

张春芝在现场展现了 优薯1号 的种子,它只要芝麻分量的1/6,假如种一亩地,本来用种薯需求200公斤,现在运用种子仅需两克。 这就使得运送十分便利,一个快递就处理了,而且种子很洁净,根本不会传达病虫害。假如咱们能够把马铃薯工业从现在的四倍体薯块繁衍的体系,改形成二倍体种子形式的话,对工业就适当所以一场颠覆性的立异,能够完全处理咱们现在工业面对的问题。 张春芝着重。

研讨团队还指出,在二倍体种子形式下,咱们能够使用南边冬闲田培养马铃薯, 能够有用缓解国家粮食安全的压力,特别是添补饲料用粮这一块的缺口。

据介绍, 优薯方案 拟定了三个 五年方案 。 十三五 期间,处理二倍体马铃薯自交系构建所触及的科学和技能问题,培养出首个概念性种类 优薯1号 ; 十四五 期间,处理二倍体马铃薯工业所触及的要害问题,选育优秀杂交组合,开端小规模推行; 十五五 期间,培养一系列满意市场需求的二倍体马铃薯杂交新种类,开端大面积演示和推行。

战胜两个要害妨碍,成功选育 优薯1号

实际上,在全球范围内,马铃薯二倍体育种都已成为研讨热门。来自荷兰、我国和美国等国家的科学家近年来也纷繁呼吁展展开开马铃薯二倍体的研讨和育种作业。

可是,要完成二倍体杂交马铃薯育种,需战胜两个要害妨碍:自交不亲和与自交阑珊。

自交不亲和是指植物自花授粉后不会发生种子的现象。要培养自交系,首要需求处理自交不亲和的问题。在黄三文团队的前期研讨中,他们经过基因组修改技能敲除了操控马铃薯自交不亲和的S-RNase基因,挑选到了S-RNase的天然骤变体,并克隆了来自野生种的自交亲和基因,完全处理了自交不亲和的问题。

自交阑珊则是指生物在自交之后呈现生理机能的阑珊,体现为生生机下降、抗性削弱、产值降低一级。研讨团队指出,马铃薯作为异交作物,在长时间的无性繁衍进程中,累积了许多的隐性有害骤变,一旦自交之后,有害骤变的不良效应便会显现出来,导致自交阑珊。

与自交不亲和由少量几个基因操控不同,自交阑珊触及许多基因,也更难战胜。就同范畴研讨来看,荷兰科学家在2011年就发布了杂交马铃薯的发展,可是10年之后仍然面对自交系纯度较低的问题,约束了大规模商业化推行,首要便是由于无法战胜自交阑珊的问题。

针对这一难题,黄三文团队前期对马铃薯自交阑珊的遗传根底进行了体系解析。他们发现,导致自交阑珊的有害骤变镶嵌散布在马铃薯的两套基因组中,无法经过重组将它们完全筛选。 这给咱们的一个暗示便是,育种家是不行能把每一个骤变都筛选掉的,咱们有必要能够忍受必定程度的有害骤变。 张春芝标明。

可是,研讨团队一起发现,不同马铃薯中的有害骤变具有个别差异性,能够经过对遗传布景差异大的自交系进行杂交来掩盖杂交种中有害骤变的效应。 对咱们的一个启示便是,咱们能够挑选差异比较大的,便是互补性比较强的两个资料进行杂交。

这些研讨也标明,依据表型挑选的育种战略,难以战胜自交阑珊的问题,有必要凭借于基因组大数据展开规划育种,才干有用地筛选有害骤变。

马铃薯杂交育种基因组规划原理图。

在此根底之上,黄三文团队凭借在基因组学研讨方面的优势,使用基因组大数据进行育种决议计划,建立了杂交马铃薯基因组规划育种流程,首要包含四个环节。

榜首步是用于培养自交系的开始资料的挑选,挑选的标准是开始资料的基因组杂合度较低和有害骤变数目较少;第二步是开始资料自交集体的遗传解析,首要是依据全基因组偏别离剖析和表型点评,确认大效应有害等位基因和优秀等位基因在基因组中的散布;第三步是自交系的选育,依据远景和布景挑选筛选大效应的有害骤变,并聚合优秀等位基因,尤其是要打破大效应有害骤变和优秀等位基因之间的连锁;最终一步是杂交种的选育,依据基因组测序的成果,挑选基因组互补性比较高的自交系进行杂交,取得杂种优势明显的杂交种。

使用上述流程,黄三文团队已培养出了榜首代高纯合度二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系 优薯1号 。张春芝介绍,本年进行的小区实验显现, 优薯1号 的产值现已挨近3吨/亩, 这个现已跟现在干流的四倍体产值是差不多的,阐明咱们这个杂种具有明显的产值潜力。 一起, 优薯1号 具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特色,蒸煮质量佳。

杂交种具有较强的杂种优势。

黄三文一起着重, 优薯1号 未来将继续迭代。 咱们还需求进步改进它的多个性状,包含抗病性,包含对光周期的适应性。咱们现在还只能在南边培养,能不能培养出能够在北方培养的种类? 他以为,所有这些进一步改进,均需求用到基因组规划来加速进程。

走运的是,假如用四倍体育种,大约一轮周期是10-15年,可是用种子育种,一轮周期是3-5年,只要本来的1/3。 育种周期越短,它就会不停地迭代,而且这个育种是能够迭代的,便是说它每一轮育种都比前面好一些,这跟四倍体不一样,四倍体的育种是十分随机的。 黄三文标明。

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