深圳科學家利用基因組編輯技術突破馬鈴薯繁育難題

“優薯計劃”科研團隊（第一排左四為黃三文，左三為張春芝）。

在美食界，馬鈴薯是一種“百變”的存在，從薯片、薯條、薯泥，在煎炒燜燉炸之中游刃有余地展示自己的風味。在農作物界，馬鈴薯是一種“神奇”的存在，它是唯一躋身四大糧食作物（小麥、稻谷、玉米和馬鈴薯）的跨界蔬菜；也是最“桀驁不馴”的農作物之一，人類栽培、食用了7000余年，仍無法馴化它。

不過，未來馬鈴薯的種植方式可能發生翻天覆地的變化，將從種“薯塊”到播“種子”。

8月13日，在《自然》（《Nature》）子刊《自然·植物》（《Nature Plants》）雜志上在線發表了由中國農業科學院深圳農業基因組所黃三文研究團隊利用基因組編輯技術克服馬鈴薯自交不親和的研究成果，這是“優薯計劃”2017年立項實施以來發表的首篇重要研究論文。

昨日，記者采訪了這篇論文的共同通訊作者——深圳農業基因組所所長、研究院黃三文和張春芝博士，深圳已成為“優薯計劃”的基礎研究支撐，未來中國科學家還將在馬鈴薯繁育、馴化上走得更遠。

中國科學家牽頭描繪馬鈴薯基因圖譜

馬鈴薯的食用方式雖然多種多樣，可種植方式卻一如最初。依靠塊莖種植的馬鈴薯是四倍體，也就是成體細胞中含有的染色體是最小染色體組數的四倍。四倍體遺傳非常復雜，導致馬鈴薯育種周期長，很多100多年前培育出的品種仍然在廣泛種植。另外，種植一畝馬鈴薯需要100到200公斤的薯塊，造成馬鈴薯具有儲運成本高、易攜帶病蟲害等缺陷。

如何突破？馬鈴薯聚集了世界科學界的目光。2005年，中國參與的第一個蔬菜基因組國際計劃就是由荷蘭瓦赫寧根大學發起的國際馬鈴薯基因組計劃，黃三文正是中方首席科學家負責項目的組織和執行。

同時，黃三文還肩負著黃瓜等國際基因組計劃。2007年，國際黃瓜基因組計劃取得重大突破，其研究成果在2009年11月的《自然·遺傳學》（《Nature Genetics》）上作為封面文章發表，這是第一個蔬菜作物全基因組分析論文，也是中國園藝界第一次在高影響因子的國際學術期刊上發表論文。

另一邊廂，截至2008年上半年，馬鈴薯基因組計劃仍然進展緩慢。黃三文另辟蹊徑，采用單倍體材料、全基因組鳥槍法策略和新一代DNA測序技術，在2009年初完成了單倍體馬鈴薯全基因組序列圖的繪制，并初步闡明了馬鈴薯自交衰退的基因組學機理并發現一批與馬鈴薯塊莖發育相關的基因。在2009年3月愛爾蘭會議上，世界各國科學家決定把所有資源集中在中國組織的單倍體馬鈴薯測序計劃上來。2011年7月，《自然》以封面論文發表了馬鈴薯基因組分析的成果，還被兩院院士評為2011年度“世界十大科技進展新聞”。

馴化馬鈴薯的第一步從“自交”開始

科學家并不滿足于此，更重要的還要突破馬鈴薯育種和繁殖方式。在國家農業農村部的支持下，黃三文聯合國內外優勢單位發起了“優薯計劃”，用二倍體替代四倍體，并用雜交種子替代薯塊，用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產業的“綠色革命”。2017年，“優薯計劃”正式啟動，并由深圳基因組所和云南師范大學共同承擔，深圳主要負責基礎研究，云南負責育種。

“馬鈴薯跟番茄其實是同科同屬。”張春芝告訴記者，這兩種植物都是茄科茄屬的“姐妹”，基因相似度超過90%。“野生番茄自交也是沒有種子的，現在切開番茄肉眼可見一粒粒種子都是人工馴化的結果。”張春芝表示，現在人們可以通過雜交獲得馬鈴薯的種子，但這樣所得到的種子培育出來的馬鈴薯只能用薯塊進行繁殖，如果用種子繁殖的話，后代分離會非常大，商品性差。如果想獲得生長一致的種子，第一步就是要培育出優良的自交系，然后通過自交系之間相互雜交培育出新品種。

可這第一步“自交”，對于馬鈴薯來說就是一道此前無法逾越的障礙。張春芝說，二倍體馬鈴薯普遍存在自交不親和的現象，自己的花粉授到自己的柱頭上，無法產生種子。此前已有外國科學家利用來自野生馬鈴薯中的自交不親和抑制基因Sli突破這一障礙，但卻帶來匍匐莖過長、龍葵素（馬鈴薯中含有的一種有毒生物堿）含量過高等問題。

而黃三文團隊創新利用基因組編輯技術解決了這些問題。研究結果顯示，馬鈴薯的自交不親和是由核糖核酸酶基因S-RNase控制的。研究人員通過拼接獲得了該基因的全長序列，并利用基因組編輯技術對此基因進行了定點突變，獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯，并通過自交獲得了不含有任何外源片段但是自交親和的馬鈴薯新材料，可以直接應用于育種。

據了解，這是“優薯計劃”發布的首個科研成果，“當馬鈴薯完全利用種子種植時，只需要2克的種子就能種出一畝馬鈴薯。”張春芝表示，“優薯計劃”將會徹底顛覆馬鈴薯的生產方式，接下來還將發布多個科研成果。

深圳商報記者 張妍

通訊員 孟麗君