杂交土豆问世！曾获袁隆平亲自指导，中国科学家通过基因组设计突破育种难题｜专访

“我在湖南的一个农场长大。改革开放以后包产到户，家里一直种植水稻，有一年水稻产量突然提高一倍，我很吃惊并问父亲这是怎么回事，父亲说种了袁隆平的杂交水稻品种。因此我从事农业科研一定程度上受到袁老的影响。”6 月 26 日，刚在Cell发表 “杂交土豆里程碑论文” 的中国农科院农业基因组研究所黄三文研究员，向 DeepTech 讲述了自己的从农历程。

图 | “优薯 1 号”（来源：受访者）

两天前，其担任通讯作者的论文《杂交土豆的基因组设计》（Genome design of hybrid potato）一经发表，便引起了不小的轰动，这不仅是因为技术难度，更因为杂交土豆很容易让人联系到袁隆平的杂交水稻。

图 | 相关论文（来源：Cell）

而黄三文也确实在 2020 年拜访过袁老，袁隆平很赞赏他开展的 “优薯计划”，并题词 “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”。

黄三文团队启动的 “优薯计划 “是运用 “基因组设计” 的理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。目前已培育出了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交优势显著的杂交马铃薯品系 “优薯 1 号”。

图 | “优薯 1号”（来源：受访者）

可解决块茎运输问题

黄三文告诉 DeepTech，土豆是无性繁殖，它的繁殖器官就是块茎，一个土豆有好几个芽，把土豆切成几块，每块上面都有一个芽，种到地里面等它长出一个完整的植株然后再结薯块。相比种子，块茎的体积很大，种一亩土豆需要 200 公斤种薯，储运很不方便。

此外，由于种薯是鲜活的器官，很容易感染上病虫害，因此要经历脱毒的步骤，期间会耗费巨大的人力物力。而种子是一个自我净化的过程，很少有病害可通过种子传播，种一亩土豆也只需 2 克种子。

假设，想在非洲种植一亿亩土豆为例，由于天气炎热，当地无法生产种薯，因此必须从其他地方运过去，那么就需要两千万吨种薯，这时必须得用船运，但会导致还未达到目的地，种薯就坏掉了。如果使用种子则只需两百吨，这意味着一趟飞机就能运过去，从而让粮食安全更有保障。

图 | 培育步骤（来源：受访者）

非洲以木薯为主食，当地夏天种植木薯。如果冬天种植一亿亩地的土豆，估计可满足非洲人口半年的口粮。在全球范围内，13 亿人口把土豆作为主粮之一，因此土豆是非常有前途的作物。

多数人吃的土豆，都是从欧洲土豆培育出的口味，风味比较寡淡。“优薯 1 号” 的 “血缘” 来自南美，因此口感很不错。胡萝卜素的含量比较高，所以土豆颜色接近金黄色。

2020 年 11 月 8 日，黄三文拜访袁隆平院士，跟他谈起正在做的杂交土豆。他们谈到，当前中国南方种植土豆，都要从内蒙和东北调用种薯，因为目前的种薯只能在气候较冷的地方生产。

基于此，袁隆平认为该技术至少应该叫杂交马铃薯种子技术，因为它能解决两大问题：

其一，利用中国南方冬闲地种植土豆，来给中国粮食安全增加一层保障，即在当年 11 月种完水稻到来年的 3 月份，由于光热条件这四个月时间无法种植水稻，但可以种植喜欢冷凉环境的土豆；其二，有了杂交土豆种子，也可解决种薯调运难、脱毒费用大的问题。

一颗杂交土豆的 “孕育”

本次研究前，该团队还解决了两个难题，第一个难题是二倍体的土豆在自花授粉后不能形成种子，因为它存在自交不亲和的强制异交的生物学机制。他们通过基因编辑、筛选突变体、导入野生基因等几种方式后，均获得成功。

这等于打破了自交不亲和的现象，这是土豆即可进行自交，相关论文于 2018 年发表在Nature Plants。

（来源：受访者）

第二个难题叫自交衰退，这其实和人类一样，人类不能近亲结婚就是因为隐性有害基因可能会纯合，就会形成遗传病。而土豆的隐性有害基因含量更多，由于进行长期的无性繁殖，野生土豆是两套基因，栽培土豆是四套基因，四套基因中只要有一个基因是好的，另外三个基因由于是隐性突变，因此看不出来效果。但是在自交的过程中，隐性基因会重合，进而带来不利效果。

在Cell发表本次文章之前，该团队在Nature Genetics曾发表两篇论文，来分析有害突变在土豆基因组中的分布情况。

他们最终得出两个主要结论：

第一，有害突变在土豆二倍体中，是以镶嵌的形式分布在两套基因组上面，也就是说有害突变并非全部在一套基因组上、或者集中在基因组上的某些区域，这意味着无法完全通过重组去淘汰所有有害突变。

第二，有害突变非常具有个体特异性，每一个材料的有害突变都不一样。如果用不同材料培育自交系土豆，虽然自交系都携带了有害突变，但是在 F1 种子中，因为有不同的突变，那就可以进行互补。因此，F1 种子中不会展示出这些突变。当然，必须首先淘汰掉起着主要效应的有害突变，因为大效应有害突变会使亲本表现不好。

有了上述两大结论的支持，本次Cell论文则详细介绍了如何选择材料、如何淘汰有害突变、如何打破有害突变和优良基因的连锁、如何选择亲本。

研究成果比荷兰团队的更好

2005 年，黄三文开始研究土豆基因测序。与此同时，荷兰也开始研制杂交土豆，并在 2011 年发表相关论文。

图 | 黄三文（来源：受访者）

2011 年，他完成了基因组序列图，以通讯作者身份在Nature发表了相关论文，并已具备对有害突变的初步认识，这时就能在基因组的指导下研究杂交土豆。