二倍体马铃薯实生种杂交育种进展

云南师范大学马铃薯科学研究院

1 研究的背景和意义

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一年生茄科茄属作物，因其具有产量高、适应性强、营养丰富、粮菜兼用、综合加工用途广泛等特性，成为世界上仅次于小麦、水稻和玉米的第四大粮食作物，广泛分布在148个国家和地区，也是13亿多人口的主粮。我国的马铃薯栽培始于16世纪末至17世纪初，现已成为世界上第一大马铃薯生产国。2020年，我国马铃薯种植面积约486.67万公顷、产量近1亿吨，种植面积和产量均居世界首位。马铃薯不仅是我国重要的粮食作物，也是全国大宗蔬菜和牲畜饲料的重要加工原料，有效缓解了国家粮食安全压力。云南是我国传统的马铃薯生产大省，种植面积达60多万公顷。马铃薯产业是云南省最具代表性的高原特色农业产业之一。

马铃薯中存在着二倍体、四倍体等不同倍性材料。传统马铃薯育种以四倍体马铃薯为主，具备产量潜力高、种植体系较为完善等优点。“十三五”期间，我国自主选育新品种227个，品种结构不断丰富，早熟和鲜食加工兼用品种占比增加、薯块外观品质作为改善。虽然四倍体马铃薯育种取得了长足进步，但四倍体马铃薯育种存在薯块繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等系统性问题，导致目前我国马铃薯单产水平仍然较低、优异种质资源不足，遗传效应难以累积，资源引进、精准鉴定、评价和共享困难，品种专用性不强等问题。

二倍体马铃薯占马铃薯遗传资源70%以上，充分利用遗传变异更为丰富的二倍体马铃薯种质(图1)，开展二倍体马铃薯实生种杂交育种是马铃薯基础与应用研究领域的重大变化。用二倍体马铃薯杂交育种替代传统育种，可大幅缩短育种周期，加快品种(鲜食型/加工型/饲用型)及相关加工产品迭代速度；采用杂交马铃薯种苗播种，每公顷地仅需45-75克种苗就可以替代2 250-3 000千克的种薯，种苗的繁殖系数是薯块的1 000倍，可为我国节约上百万亩的种薯用地，并且种苗基本不携带病虫害，也可避免病虫害的发生频率和跨地区传播。

图1 遗传变异丰富的二倍体马铃薯种质资源材料

2019年，《科学》(Science)期刊在封面发布“The new potato”，认为二倍体杂交马铃薯有可能带来马铃薯产业的“绿色生命” (图2)。鉴于二倍体杂交马铃薯巨大的潜在优势，全球最大的马铃薯种薯公司HZPC、德国种业巨头KWS联合美国食品巨头Simplot、荷兰新兴育种公司Solynta以及美国威斯康星大学等多家科研机构和育种公司纷纷投入巨资，启动二倍体杂交马铃薯科技攻关，抢占二倍体马铃薯杂交育种这个生物育种高地。

图2 二倍体马铃薯杂交育种计划是新的马铃薯育种方向

2 研究内容及发现点

2017年，时任中国农业科学院农业基因组研究所所长黄三文研究员联合云南师范大学马铃薯科学研究院（以下简称“研究院”）等国内优势单位发起“优薯计划”，加入二倍体杂交马铃薯研发激烈的国际竞争中(图3)。

图3 中方团队与来自欧洲、北美洲的科研团队开展激烈的竞争

在国家集中力量办大事的体制优势下，中国团队虽然起步较晚，但却率先取得重大突破。先后克隆了二倍体马铃薯自交不亲和、自交衰退基因，破解了培育二倍体马铃薯自交系的秘密。在此基础上，团队率先培育出二倍体杂交马铃薯“优薯1号”。相关成果以研究院为第一完成单位发表在国际知名学术期刊《自然·植物》(Nature Plants, 2018)、《自然·遗传》(Nature Genetics, 2019)和《自然·通讯》(Nature Communications, 2021)；以研究院为第一单位发表在《细胞》(Cell, 2021)、《分子植物》(Molecular Plant,2022)；入选了中国农学会评选的《2021中国农业农村重大新技术新产品新装备》。相关发现如下：

一是二倍体马铃薯普遍存在自交不亲和的现象，限制了自交系的创制。在马铃薯、番茄等茄科植物中，自交亲和性与植物携带的SLF (S-locus Fox)蛋白和S-RNase (S-ribonucleases)酶类型密不可分。S-RNase酶是一种细胞毒性蛋白，仅在花柱中特异表达并被分泌到花柱传导组织，是花粉进入雌蕊的“锁”；SLF蛋白仅在花粉中特异表达，它们像一把“钥匙”，虽然不能识别自身的“门锁”，却能识别其他材料携带的“门锁”，进而通过26S蛋白酶把“门锁”降解，保证了杂交亲和。团队利用两种策略解决马铃薯自交不亲和难题。首先创新性地利用基因组编辑技术对S-RNase进行了定点突变，破坏阻碍花粉进入雌蕊的“锁”，从而获得了自交亲和的二倍体马铃薯新种质材料。相关成果发表在《自然·植物》(Nature Plants, 2018)，获《自然·植物》(Nature Plants)专评 “开辟了二倍体马铃薯育种新路径”和F1000推荐。另一方面，团队也开始寻找可以开“锁”的“钥匙”。1998年，日本科学家首次报道了抑制马铃薯自交不亲和的Sli位点，但由于马铃薯自交亲和表型易受外界环境干扰，该基因一直未被克隆。团队巧妙利用含有Sli位点的植株自交后代出现偏分离现象，最终从花粉RNA中克隆了Sli基因。团队进一步发现Sli蛋白像一把“万能钥匙”，可被广泛应用于打破二倍体马铃薯的自交不亲和性，在创制二倍体马铃薯自交系中具有重要的作用(图4)。相关成果发表在《自然·通讯》(Nature Communications, 2021)，被编辑选为当期亮点论文，并获F1000推荐“该基因对马铃薯杂交育种非常重要”。

图4 Sli基因是打破二倍体马铃薯自交不亲和的“万能钥匙”

二是与其他谷物类粮食作物不同，马铃薯是依靠薯块繁殖的同源四倍体物种。隐性有害等位基因隐藏在高度杂合的四倍体基因组中，使得优良等位基因很难聚合在一起，这是导致马铃薯育种周期长的主要原因。团队通过对151份二倍体马铃薯进行重测序，鉴定了全基因组范围内共344 831个有害突变。这些有害突变在近着丝粒区域富集，因此很难通过遗传重组将它们全部清除，但可通过精心设计的杂交组合使这些有害突变保持在杂合状态，获得具有杂种优势的F1杂交种。为进一步鉴定这些有害突变的遗传效应，团队构建了3个自交群体，并开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法，在3个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域，暗示这些区域含有大效应的有害突变。结合表型分析，鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点(图5)。在此基础上，团队对其中的一个致死突变ar1进行了图位克隆和功能验证，发现它控制胚的发育。等位基因频率分析发现，ar1在马铃薯群体中是一个稀有突变。有意思的是这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域，说明是可以通过遗传重组将它们有效清除的。本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础，也为解析其他无性繁殖作物的自交衰退提供了借鉴。相关成果发表在《自然·遗传》(Nature Genetics, 2019)，同时获《分子植物》(Molecular Plant)专评 “为杂交马铃薯育种奠定坚实的分子基础”。《科学》(Science)期刊综述指出相关成果推动了杂交马铃薯育种进程。

图5 马铃薯全基因组范围内的偏分离及自交衰退相关表型

三是要实现二倍体杂交马铃薯育种，需克服2个关键障碍：自交不亲和与自交衰退。在前期成功解析了马铃薯自交不亲和、自交衰退的分子机制后，团队对马铃薯自交衰退的遗传基础进行了系统解析。研究发现，导致自交衰退的有害突变镶嵌分布在马铃薯的2套基因组中，无法通过重组将它们彻底淘汰。但是，不同马铃薯中的有害突变具有个体差异性，可以通过对遗传背景差异大的自交系进行杂交来掩盖杂交种中有害突变的效应。这些研究表明，基于表型选择的育种策略，难以克服自交衰退的问题，必须借助于基因组大数据开展设计育种，才能有效地淘汰有害突变。在此基础上，团队借助在基因组学研究方面的优势，利用基因组大数据进行育种决策，建立了杂交马铃薯基因组设计育种流程。最终团队培育出了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。小区试验显示“优薯1号”的产量接近3吨/亩，具有显著的产量杂种优势。同时，“优薯1号”具有高干物质含量和高类萝卜素含量的特点，蒸煮品质佳。相关成果发表在《细胞》(Cell, 2021)，也入选了中国农学会评选的《2021中国农业农村重大新技术新产品新装备》(图6)。

图6 2021年中国农业农村重大新技术新产品新装备

3 促进科学发展的重要意义

传统四倍体马铃薯育种存在两个结构性障碍：一是四倍体遗传特性造成育种困难且栽培品种遗传基础狭窄，难以进行种质资源创新；二是薯块繁殖成本高且繁殖效率低。“二倍体杂交育种-种子繁殖”通过选育优良的二倍体自交系，对不同自交系配制杂交组合，利用杂种优势，选择优良的F1杂交种子用于生产。该技术体系是马铃薯研究人员的梦想，被誉为马铃薯科研“皇冠上的明珠”。

“优薯1号”的成功选育获“杂交水稻之父”袁隆平院士的肯定：“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新，将带来马铃薯的绿色革命” (图7)。该技术证明了杂交马铃薯育种的可行性，使马铃薯的遗传改良进入了快速迭代的轨道。

图7 袁隆平院士高度评价中方团队取得的科研成果

当然，杂交马铃薯研究仍然处于起始阶段，离产业化还有一段距离。目前的杂交一代与主栽四倍体品种还存在一定差距，特别是在抗病性和适应性方面。另外，杂交马铃薯种子大规模生产和种子育苗移栽技术也有待进一步研发。

综上所述，二倍体马铃薯杂交育种技术与目前主流的四倍体马铃薯育种模式以及成熟的栽培技术体系互为补充，深入研究二倍体育种和四倍体育种存在的生物学问题及产业化问题，才能使我国在马铃薯基础与育种应用研究上占据国际优势地位，最终为推进国家马铃薯主粮化战略，解决饲料粮食依赖进口问题，保障国家粮食安全和乡村振兴提供科技支撑和技术保障。

4 代表性论文

1. Ye M, Peng Z, Tang D, et al. Generation of selfcompatible diploid potato by knockout of S-RNase.Nature Plants, 2018, 4(9): 651-654

2. Zhang C, Wang P, Tang D, et al. The genetic basis of inbreeding depression in potato. Nature Genetics, 2019, 51(3): 374-378.

3. Ma L, Zhang C, Zhang B, et al. A nonS-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes. Nature Communications, 2021, 12(1): 1-8.

4. Zhang C, Yang Z, Tang D, et al. Genome design of hybrid potato. Cell, 2021, 184(15): 3873-3883.

5. Bao Z, Li C, Li G, et al. Genome architecture and tetrasomic inheritance of autotetraploid potato.Molecular Plant, 2022, 15(7): 1211-1226.