“优薯计划”揭秘：新型生物材料如何改变甘薯育种？
“优薯计划”揭秘：新型生物材料如何改变甘薯育种？
2025年1月，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员团队在《自然》杂志发表重磅研究成果，通过构建完整解析单倍型的马铃薯图泛基因组，首次提出理想单倍型育种策略，为无性繁殖作物的遗传改良开辟了新路径。这一突破性进展不仅翻开了马铃薯杂交育种的新篇章，更为其他无性繁殖作物的遗传改良提供了重要借鉴。
“优薯计划”：一场颠覆性的绿色革命
在全球种植面积最大的100种作物中，约45%为无性繁殖作物，包括马铃薯、红薯、木薯、甘蔗、香（大）蕉以及所有果树等。这些作物普遍存在育种速度慢、难以培育突破性新品种的问题。以马铃薯为例，作为世界第一大无性繁殖作物，在120多个国家广泛种植，是超13亿人的主食，其育种周期长达10-12年，种薯繁殖易染病虫害，运输和保存成本高。
为解决这些难题，黄三文团队于2013年发起“优薯计划”，提出以二倍体替代四倍体、以杂交种子替代薯块的创新策略，旨在从根本上变革马铃薯的育种和繁殖方式。经过十余年的持续攻关，团队陆续取得了一系列重大突破：
- 2011年在《自然》发表全球第一个马铃薯参考基因组
- 2018年在《自然-植物》上宣布打破马铃薯自交不亲和
- 2019年在《自然-遗传》发表论文，解析了马铃薯自交衰退的遗传基础
- 2020-2022年，探索了二倍体和四倍体马铃薯基因组中有害突变的分布模式
- 2021年在《细胞》发布第一代高纯合度自交系材料
- 2022年《自然》发表马铃薯泛基因组，并发现薯块发育的身份基因
- 2023年在《细胞》上宣布开发了“进化透镜”，以鉴定马铃薯有害点突变
Sli基因：破解自交不亲和性的“万能钥匙”
二倍体马铃薯是一种自交不亲和的作物，培育二倍体自交系首先要克服自交不亲和这一技术瓶颈。2021年7月，黄三文团队联合云南师范大学在《自然—通讯》发表重要成果，成功克隆了马铃薯自交亲和基因Sli，并揭示了其调控机制。
自1998年日本和美国科学家发布一株自交亲和的野生材料以来，尽管国际上多个实验室一直在尝试克隆Sli基因，但始终未能成功。主要原因在于自交亲和的表型易受外界环境干扰，且Sli基因与致死基因相连，导致后代致死。
研究团队发现，在含有Sli位点的马铃薯植株自交后代中，会出现一种偏分离现象。正常情况下杂合的基因型（A/a）自交后代中应该出现A/A、A/a、a/a三种基因型，比例分别是1:2:1。而含有Sli基因的杂合个体自交后只出现Sli/Sli和Sli/sli两种基因型，比例为1:1，找不到sli/sli基因型的个体。
这一发现为研究团队提供了重要线索。他们利用后代均为自交亲和表型的特点，将遗传群体扩大至6624个植株，最终从花粉RNA中克隆了Sli基因。研究显示，Sli蛋白能识别超过10种类型的S-RNase，从而打破自交不亲和性，表现出“万能钥匙”的作用。
理想单倍型育种：精准改良的新路径
在最新研究中，黄三文团队通过构建分型图泛基因组，鉴定了大量遗传变异，解析了二倍体马铃薯种质广泛的遗传多样性。研究发现，栽培马铃薯基因组中约15%的区域为杂合状态，这表明马铃薯在驯化过程中，纯合有害变异的数量减少了。
更令人瞩目的是，团队发现了有害变异的“破窗效应”：当大片段的有害结构变异无法清除时，其附近会积累更多有害单核苷酸变异。基于这一发现，研究团队首次提出了理想单倍型育种策略。
理想单倍型是指通过整合来自不同马铃薯品种的优异序列，并利用计算设计得出的一组理想基因型。这种理想单倍型能够在遗传上最大限度地优化目标性状，如产量、抗病性、耐逆性等，从而成为作物改良的优选基因型。
从马铃薯到甘薯：技术应用的广阔前景
“优薯计划”的成功为其他无性繁殖作物的遗传改良提供了重要借鉴。以甘薯为例，作为重要的粮食和经济作物，其育种工作同样面临自交不亲和、育种周期长等问题。黄三文团队的研究成果，特别是Sli基因的发现和理想单倍型育种策略，为甘薯育种提供了新的思路和工具。
通过基因编辑技术，可以尝试在甘薯中引入类似Sli的功能基因，打破自交不亲和性，从而加速自交系的创制。同时，利用理想单倍型育种策略，可以更精准地改良甘薯品种，提高育种效率。
这一系列创新性研究成果不仅展示了新型生物材料在作物育种中的巨大潜力，更为全球粮食安全和农业可持续发展注入了新的动力。随着相关技术的不断成熟和应用，我们有理由期待，未来的农业生产将迎来一场基于基因组学和生物技术的绿色革命。