杂交马铃薯的块茎和种子。中国农业科学院供图
“马铃薯是典型的无性繁殖作物，基因组高度杂合，存在大量有害变异，只有系统揭示马铃薯的基因组特征，才能有效实现无性繁殖作物的有性化育种。”中国科学院院士、中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）研究员黄三文告诉《中国科学报》，有性繁殖的作物能够通过杂交改良性状，大大提高育种效率。
2020年11月，“杂交水稻之父”袁隆平在详细了解了黄三文等人发起的“优薯计划”后，曾指出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。
1月22日，黄三文团队在《自然》发表了最新研究论文。该研究构建了完整解析单倍型的马铃薯图泛基因组，以全面捕捉杂合信息和单倍型多样性。该研究还发现，有害变异在单倍型基因组上的分布并非随机，而是具有聚集特征，即“破窗效应”。
黄三文团队通过设计降低有害变异的育种路径，首次提出了理想单倍型（IPHs）育种策略。该研究以马铃薯为例，全面解析了无性繁殖作物的基因组特征，翻开了马铃薯杂交育种新篇章，并为其他无性繁殖作物遗传改良提供了理论指导。
占据近“半壁江山”的无性繁殖作物
在全球种植面积最大的100种作物中，55种是有性繁殖作物，包括水稻、玉米、小麦、番茄等。而另外45种是无性繁殖作物，包括马铃薯、红薯、木薯、甘蔗、香（大）蕉，以及所有果树等。
“有性繁殖作物育种速度快，而无性繁殖作物育种速度慢，难以育成突破性的新品种。”论文通讯作者黄三文说，马铃薯是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。栽培马铃薯多为同源四倍体，遗传复杂，育种周期漫长，且种薯依靠薯块无性繁殖，易染病、出现虫害，运输和保存成本高。
为解决上述难题，黄三文团队联合国内外优势单位发起了“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策略，从根本上变革马铃薯的育种和繁殖方式。
黄三文与合作者逐个破解“优薯计划”路上的难题。
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年到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。
十余年磨一剑，该团队通过不断努力，成功培育出第一代用种子繁殖的马铃薯——优薯1号，并将马铃薯育种周期从10~12年缩短至3~5年，繁殖系数提高1000倍。为了加速改良自交系，团队充分利用马铃薯种质资源的遗传多样性，构建马铃薯理想单倍型，指导优良自交系的培育。
论文第一作者、基因组所/比利时列日大学联培博士生程林告诉《中国科学报》，2022年该团队构建的马铃薯泛基因组尚未完整解析马铃薯杂合二倍体的两套单倍型基因组，因此，构建能够完整解析单倍型的图泛基因组，对马铃薯有性杂交育种具有重要意义。
有害结构变异的“破窗效应”
程林介绍，他们从头组装了31个二倍体马铃薯代表性种质的基因组，其中两个是自交系，因而共获得60个单倍型组装本。他们又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。
论文共同第一作者、基因组所博士后王楠介绍，他们的研究表明，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。这可能是育种家培育马铃薯新品种时，充分利用杂种优势的结果。这为杂交马铃薯育种提供了充分的理论依据。
黄三文强调，马铃薯育种的一大难题是有害变异，包含有害单核苷酸变异（dSNPs）和有害结构变异（dSVs）。通过对茄科的系统进化基因组进行研究，他们鉴定出大量的进化约束区域及有害单核苷酸变异，但对有害结构变异的认识仍然较为缺乏。
研究团队提出了鉴定有害结构变异的新方法，并发现马铃薯基因组中存在大约1.9万个有害结构变异。
“这些有害变异并非随机分布，而是呈现‘簇状’聚集特征。”黄三文借用社会学中的“破窗效应”来解释这一现象。
在社会学中，“破窗效应”指建筑物的破损窗户若未及时修复，会导致更多窗户被破坏，甚至引发盗窃等问题，导致犯罪率上升。
黄三文说，类似的，在马铃薯中，当大片段的有害结构变异无法清除时，“就好像单倍型染色体上出现了一个‘破窗’，其附近会积累更多有害单核苷酸变异。这种有害累积并不会发生在另一条没有‘破窗’的染色体上，可能是因为多倍体马铃薯必须保持至少一条完整的染色体，才能维持生存”，而马铃薯基因组的“破窗效应”影响单倍型的纯化选择，不利于杂交育种。
以理想单倍型为核心的未来育种计划
黄三文团队在2021年成功构建了优薯自交系，并培育了第一代用种子繁殖的杂交马铃薯——优薯1号。然而，第一代自交系中仍存在一些有害结构变异，影响马铃薯的生长和发育。
基于马铃薯杂合二倍体的两套单倍型基因组，以及有害突变分布的“破窗效应”，研究团队首次提出了理想单倍型育种策略，为“优薯1号”的两个亲本分别设计了理想单倍型。
黄三文介绍，所谓理想单倍型，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。”黄三文说。
论文共同第一作者、德国马克斯·普朗克研究所博士生鲍志贵说，理想单倍型不只是关注某一性状的单一优势变异，还综合了多种优良性状的协调优化。其概念建立在多基因调控性状的全基因组遗传背景整合之上，体现了系统性和精确性的特点。
黄三文相信，通过设计不同优良品系的基因型组合，这一策略可以指导马铃薯自交系的精准育种。该策略旨在最大限度减少有害单核苷酸变异和有害结构变异数量，为高效培育杂交马铃薯提供了全新思路。
论文审稿人认为，该研究首次系统解析了马铃薯基因组中有害变异的分布规律，为精准识别与清除有害变异提供了理论依据，对实际育种具有应用价值。
相关论文信息：
https://doi.org/s41586-024-08476-9
