杂交马铃薯的块茎跟种子。■本报记者 李晨“马铃薯是典范的无性滋生作物，基因组高度杂合，存在大批无害变异，只有体系提醒马铃薯的基因组特点，才干无效实现无性滋生作物的有性化育种。”中国迷信院院士、中国农业迷信院深圳农业基因组研讨所（以下简称基因组所）研讨员黄三文告知《中国迷信报》，有性滋生的作物可能经由过程杂交改进性状，年夜年夜进步育种效力。2020年11月，“杂交水稻之父”袁隆平在具体懂得了黄三文等人发动的“优薯打算”后，曾指出马铃薯杂交种子滋生技巧是推翻性翻新，将带来马铃薯的绿色反动。1月22日，黄三文团队在《天然》宣布了最新研讨论文。该研讨构建了完全剖析单倍型的马铃薯图泛基因组，以片面捕获杂合信息跟单倍型多样性。该研讨还发明，无害变异在单倍型基因组上的散布并非随机，而是存在凑集特点，即“破窗效应”。黄三文团队经由过程计划下降无害变异的育种门路，初次提出了幻想单倍型（IPHs）育种战略。该研讨以马铃薯为例，片面剖析了无性滋生作物的基因组特点，打开了马铃薯杂交育种新篇章，并为其余无性滋生作物遗传改进供给了实践领导。盘踞近“荆棘铜驼”的无性滋生作物在寰球莳植面积最年夜的100种作物中，55种是有性滋生作物，包含水稻、玉米、小麦、番茄等。而别的45种是无性滋生作物，包含马铃薯、红薯、木薯、甘蔗、喷鼻（年夜）蕉，以及全部果树等。“有性滋生作物育种速率快，而无性滋生作物育种速率慢，难以育成冲破性的新种类。”论文通信作者黄三文说，马铃薯是天下第一年夜无性滋生作物，在120多个国度普遍莳植，是超13亿人的主食。种植马铃薯多为同源四倍体，遗传庞杂，育种周期漫长，且种薯依附薯块无性滋生，易抱病、呈现虫害，运输跟保留本钱高。为处理上述困难，黄三文团队结合海内外上风单元发动了“优薯打算”，提出以二倍体替换四倍体、以杂交种子替换薯块的战略，从基本上变更马铃薯的育种跟滋生方法。黄三文与配合者一一破解“优薯打算”路上的困难。2011年在《天然》宣布寰球第一个马铃薯参考基因组；2018年在《天然-动物》上发布攻破马铃薯自交不亲跟；2019年在《天然-遗传》宣布论文，剖析了马铃薯自交消退的遗传基本；2020年到2022年，摸索了二倍体跟四倍体马铃薯基因组中无害渐变的散布形式；2021年在《细胞》宣布第一代高纯合度自交系资料；2022年《天然》宣布马铃薯泛基因组，并发明薯块发育的身份基因；2023年在《细胞》上发布开辟了“退化透镜”，以判定马铃薯无害点渐变。十余年磨一剑，该团队经由过程一直尽力，胜利培养出第一代用种子滋生的马铃薯——优薯1号，并将马铃薯育种周期从10~12年收缩至3~5年，滋生系数进步1000倍。为了减速改进自交系，团队充足应用马铃薯种质资本的遗传多样性，构建马铃薯幻想单倍型，领导精良自交系的培养。论文第一作者、基因组所/比利时列日年夜学联培博士生程林告知《中国迷信报》，2022年该团队构建的马铃薯泛基因组尚未完全剖析马铃薯杂合二倍体的两套单倍型基因组，因而，构建可能完全剖析单倍型的图泛基因组，对马铃薯有性杂交育种存在主要意思。无害构造变异的“破窗效应”程林先容，他们重新组装了31个二倍体马铃薯代表性种质的基因组，此中两个是自交系，因此共取得60个单倍型组装本。他们又经由过程构建分型图泛基因组，判定了大批遗传变异，剖析了二倍体马铃薯种质普遍的遗传多样性。论文独特第一作者、基因组所博士后王楠先容，他们的研讨标明，种植马铃薯基因组中约15%的地区为杂合状况。这标明马铃薯在驯化进程中，纯合无害变异的数目增加了。这可能是育种家培养马铃薯新种类时，充足应用杂种上风的成果。这为杂交马铃薯育种供给了充足的实践根据。黄三文夸大，马铃薯育种的一浩劫题是无害变异，包括无害单核苷酸变异（dSNPs）跟无害构造变异（dSVs）。经由过程对茄科的体系退化基因组停止研讨，他们判定出大批的退化束缚地区及无害单核苷酸变异，但对无害构造变异的意识依然较为缺少。研讨团队提出了判定无害构造变异的新方式，并发明马铃薯基因组中存在大概1.9万个无害构造变异。“这些无害变异并非随机散布，而是浮现‘簇状’凑集特点。”黄三文借用社会学中的“破窗效应”来说明这一景象。在社会学中，“破窗效应”指建造物的破坏窗户若未实时修复，会招致更多窗户被损坏，乃至激发偷盗等成绩，招致犯法率回升。黄三文说，相似的，在马铃薯中，当年夜片断的无害构造变异无奈肃清时，“就似乎单倍型染色体上呈现了一个‘破窗’，其邻近会积聚更多无害单核苷酸变异。这种无害累积并不会产生在另一条不‘破窗’的染色体上，可能是由于多倍体马铃薯必需坚持至少一条完全的染色体，才干保持生活”，而马铃薯基因组的“破窗效应”影响单倍型的纯化抉择，倒霉于杂交育种。以幻想单倍型为中心的将来育种打算黄三文团队在2021年景功构建了优薯自交系，并培养了第一代用种子滋生的杂交马铃薯——优薯1号。但是，第一代自交系中仍存在一些无害构造变异，影盗贼铃薯的成长跟发育。基于马铃薯杂合二倍体的两套单倍型基因组，以及无害渐变散布的“破窗效应”，研讨团队初次提出了幻想单倍型育种战略，为“优薯1号”的两个亲天职别计划了幻想单倍型。黄三文先容，所谓幻想单倍型，是指经由过程整合来自差别马铃薯种类的优良序列，并应用盘算计划得出的一组幻想基因型。“这种幻想单倍型可能在遗传上最年夜限制地优化目的性状，如产量、抗病性、耐逆性等，从而成为作物改进的优选基因型。”黄三文说。论文独特第一作者、德国马克斯·普朗克研讨所博士生鲍志贵说，幻想单倍型不仅是存眷某一性状的单一上风变异，还综合了多种精良性状的和谐优化。其观点树立在多基因调控性状的全基因组遗传配景整合之上，表现了体系性跟准确性的特色。黄三文信任，经由过程计划差别精良品系的基因型组合，这一战略能够领导马铃薯自交系的精准育种。该战略旨在最年夜限制增加无害单核苷酸变异跟无害构造变异数目，为高效培养杂交马铃薯供给了全新思绪。论文审稿人以为，该研讨初次体系剖析了马铃薯基因组中无害变异的散布法则，为精准辨认与肃清无害变异供给了实践根据，对现实育种存在利用代价。相干论文信息：https://doi.org/s41586-024-08476-9