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北京時(shí)間2023年5月4日，國際權(quán)威期刊《細(xì)胞（Cell）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：“Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進(jìn)化基因組學(xué)鑒定有害突變進(jìn)而指導(dǎo)雜交馬鈴薯育種）”。

該研究發(fā)明了一種新的“進(jìn)化透鏡”技術(shù)，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進(jìn)化約束及有害突變位點(diǎn)，繪制了首個(gè)馬鈴薯有害突變二維圖譜，使我國在馬鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。

繪制圖譜 精準(zhǔn)鑒定進(jìn)化突變

馬鈴薯育種是世界性難題，我們?cè)诳觳偷瓿缘氖項(xiàng)l還是來自120多年前育成的馬鈴薯品種，但是該品種容易感染病蟲害。

馬鈴薯之所以很難選育出相對(duì)較好的品種，因其有著“四套基因組”，遺傳分析很復(fù)雜。再加上，馬鈴薯屬于薯塊繁殖，繁殖系數(shù)僅1：10，相當(dāng)于收獲10個(gè)土豆，人們需要留下一個(gè)作為“種子”，極大的增加了種植成本。

育種技術(shù)亟需變革。

人類早就發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)化過程中，物種的基因組并非一成不變。但是，一些具有重要功能的位點(diǎn)不會(huì)改變，它們會(huì)在進(jìn)化過程中保留在不同物種中，研究人員稱這一現(xiàn)象為進(jìn)化約束（evolutionary constraint），把這些位點(diǎn)稱為進(jìn)化保守位點(diǎn)。  

我國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)突破常規(guī)思維，將馬鈴薯育種放置在“進(jìn)化論”這樣更廣的領(lǐng)域中去研究。

黃三文團(tuán)隊(duì)便是這樣的開拓者。他們收集了100份茄科和旋花科的材料，通過基因組的比較分析，追蹤最長8千萬年、累計(jì)12億年的進(jìn)化痕跡，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出“進(jìn)化透鏡”，用來發(fā)現(xiàn)馬鈴薯進(jìn)化約束及有害突變的點(diǎn)位，繪制了首個(gè)馬鈴薯有害突變二維圖譜。

黃三文介紹，“進(jìn)化透鏡”技術(shù)的發(fā)明，給育種家安裝最強(qiáng)“火眼金睛”，讓他們能夠更早發(fā)現(xiàn)阻礙馬鈴薯育種的基因組“暗礁”，避免育種“走彎路”，讓大家能夠更快吃上更優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)土豆。

解讀基因 育種決策更提前

二維圖譜能夠指導(dǎo)育種家更有效的進(jìn)行起始材料選擇。

研究人員利用該圖譜又提出反直覺的自交系培育方法，還開發(fā)了一個(gè)全基因組預(yù)測新模型。

科學(xué)家可以利用模型解讀馬鈴薯的基因組，只需要苗期的DNA，就可以提前預(yù)測馬鈴薯育種材料的產(chǎn)量、株高、薯塊等性狀，更好地幫助育種家制定早期育種決策，縮短馬鈴薯育種周期，該成果加速馬鈴薯育種進(jìn)程，提高了馬鈴薯產(chǎn)量25％－45％的預(yù)測精確度。

“這一研究成果不僅對(duì)馬鈴薯，還將會(huì)對(duì)糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導(dǎo)作用”中國科學(xué)院院士、崖州灣實(shí)驗(yàn)室主任、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋點(diǎn)評(píng)時(shí)說。

“黃三文團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究是馬鈴薯育種的里程碑式成果，預(yù)示著作物育種進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。”中國科學(xué)院院士、中科院植物所研究員種康給出高度評(píng)價(jià)。

明尼蘇達(dá)大學(xué)的教授彼得·莫雷爾認(rèn)為，黃三文團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并有效鑒定出有害的遺傳變異，進(jìn)而達(dá)到能夠長期不斷改良產(chǎn)量等性狀。

近年來，由中國科學(xué)家開展的“優(yōu)薯計(jì)劃”相繼破解了馬鈴薯基因組解析、自交不親和、自交衰退等重大難題，培育出第一代自交系材料及雜交種，相關(guān)成果均已在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。

下一步，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所團(tuán)隊(duì)將根據(jù)模型選擇更多品種，運(yùn)用二維圖譜指導(dǎo)馬鈴薯設(shè)計(jì)育種，聚合更多有利基因，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯品種。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員為該論文的通訊作者，基因組所博士后吳瑤瑤、博士后李大偉、碩士研究生胡勇為共同第一作者。來自中國、美國、英國、德國等多國專家對(duì)該論文提出了重要指導(dǎo)。

該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。