在美食界，馬鈴薯是一種“百變”的存在,，從薯片,、薯?xiàng)l,、薯泥??在煎炒燜燉炸之中游刃有余地發(fā)揮自己的風(fēng)味,。在農(nóng)作物界，馬鈴薯是一種“神奇”的存在,，它是唯一躋身四大糧食作物（小麥,、稻谷、玉米和馬鈴薯）的跨界蔬菜,；也是最“桀驁不馴”的農(nóng)作物之一，人類栽培,、食用了7000余年,，仍無法馴化它。

 不過,，未來馬鈴薯的種植方式可能發(fā)生翻天覆地的變化,，將從種“薯塊”到播“種子”。8月13日,，在《自然》（《Nature》）子刊《自然·植物》（《Nature Plants》）雜志上在線發(fā)表了由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所黃三文研究團(tuán)隊(duì)利用基因組編輯技術(shù)克服馬鈴薯自交不親和的研究成果,，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”2017年立項(xiàng)實(shí)施以來發(fā)表的首篇重要研究論文。

 8月15日,，讀創(chuàng)記者采訪了這篇論文的共同通訊作者——深圳農(nóng)業(yè)基因組所所長,、研究院黃三文和張春芝博士，深圳已成為“優(yōu)薯計(jì)劃”的基礎(chǔ)研究支撐,，未來中國科學(xué)家還將在馬鈴薯繁育,、馴化上走得更遠(yuǎn)。

△“優(yōu)薯計(jì)劃”科研團(tuán)隊(duì)（一排左四為黃三文,，左三為張春芝）

中國科學(xué)家牽頭描繪馬鈴薯基因圖譜

 7000多年前,，印第安人在南美洲安第斯山區(qū)發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯，這種淀粉豐富且富含葡萄糖,、果糖和蔗糖的塊莖給予印第安人的滿足感應(yīng)該遠(yuǎn)不止“果腹”,，還有“美味”。隨后,，人類開始種植馬鈴薯,，并將它們帶到世界各地。據(jù)史料記載,，馬鈴薯16世紀(jì)傳入中國,。目前中國已是世界馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量最多的國家。

 幾千年過去了,，馬鈴薯的食用方式有了各種各樣的變化,，可種植方式卻一如最初。依靠塊莖種植的馬鈴薯是四倍體,，也就是成體細(xì)胞中含有的染色體是最小染色體組數(shù)的四倍,。四倍體遺傳非常復(fù)雜,，導(dǎo)致馬鈴薯育種周期長，很多100多年前培育出的品種仍然在廣泛種植,。另外,，種植一畝馬鈴薯需要100到200公斤的薯塊，造成馬鈴薯具有儲(chǔ)運(yùn)成本高,、易攜帶病蟲害等缺陷,。

 如何突破？馬鈴薯聚集了世界科學(xué)界的目光,。2005年,，中國參與的第一個(gè)蔬菜基因組國際計(jì)劃就是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)發(fā)起的國際馬鈴薯基因組計(jì)劃，黃三文正是中方首席科學(xué)家負(fù)責(zé)項(xiàng)目的組織和執(zhí)行,。

 同時(shí),，黃三文還肩負(fù)著黃瓜等國際基因組計(jì)劃。2007年,，國際黃瓜基因組計(jì)劃取得重大突破,，其研究成果在2009年11月的《自然·遺傳學(xué)》（《Nature Genetics》）上作為封面文章發(fā)表，這是第一個(gè)蔬菜作物全基因組分析論文,，也是中國園藝界第一次在高影響因子的國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文,。

 另一邊廂，截至2008年上半年,，馬鈴薯基因組計(jì)劃仍然進(jìn)展緩慢,。黃三文另辟蹊徑，采用單倍體材料,、全基因組鳥槍法策略和新一代DNA測序技術(shù),，在2009年初完成了單倍體馬鈴薯全基因組序列圖的繪制，并初步闡明了馬鈴薯自交衰退的基因組學(xué)機(jī)理并發(fā)現(xiàn)一批與馬鈴薯塊莖發(fā)育相關(guān)的基因,。在2009年3月愛爾蘭會(huì)議上,，世界各國科學(xué)家決定把所有資源集中在中國組織的單倍體馬鈴薯測序計(jì)劃上來。2011年7月,，《自然》以封面論文發(fā)表了馬鈴薯基因組分析的成果,，還被兩院院士評(píng)為2011年度“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

△論文圖片

馴化馬鈴薯的第一步從“自交”開始

 科學(xué)家并不滿足于此,，更重要的還要突破馬鈴薯育種和繁殖方式,。在國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的支持下，黃三文聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計(jì)劃”,，用二倍體替代四倍體,，并用雜交種子替代薯塊，用基因組學(xué)和合成生物學(xué)指導(dǎo)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”,。2017年,，“優(yōu)薯計(jì)劃”正式啟動(dòng),，并由深圳基因組所和云南師范大學(xué)共同承擔(dān)，深圳主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究,，云南負(fù)責(zé)育種,。

△利用基因組編輯技術(shù)創(chuàng)制自交親和的二倍體馬鈴薯

 “馬鈴薯跟番茄其實(shí)是同科同屬?！睆埓褐ジ嬖V記者,，這兩種植物都是茄科茄屬的“姐妹”，基因相似度超過90%,?！耙吧炎越灰彩菦]有種子的，現(xiàn)在切開番茄肉眼可見一粒粒種子都是人工馴化的結(jié)果,?！睆埓褐ケ硎?，現(xiàn)在人們可以通過雜交獲得馬鈴薯的種子,，但這樣所得到的種子培育出來的馬鈴薯只能用薯塊進(jìn)行繁殖，如果用種子繁殖的話,，后代分離會(huì)非常大,，商品性差。如果想獲得生長一致的種子,，第一步就是要培育出優(yōu)良的自交系,，然后通過自交系之間相互雜交培育出新品種。

 可這第一步“自交”,，對(duì)于馬鈴薯來說就是一道此前無法逾越的障礙,。張春芝說，二倍體馬鈴薯普遍存在自交不親和的現(xiàn)象,，自己的花粉授到自己的柱頭上,，無法產(chǎn)生種子。此前已有外國科學(xué)家利用來自野生馬鈴薯中的自交不親和抑制基因Sli突破這一障礙,，但卻帶來匍匐莖過長,、龍葵素（馬鈴薯中含有的一種有毒生物堿）含量過高等問題。

 而黃三文團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新利用基因組編輯技術(shù)解決了這些問題,。研究結(jié)果顯示,，馬鈴薯的自交不親和是由核糖核酸酶基因S-RNase控制的。研究人員通過拼接獲得了該基因的全長序列,，并利用基因組編輯技術(shù)對(duì)此基因進(jìn)行了定點(diǎn)突變,，獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯，并通過自交獲得了不含有任何外源片段但是自交親和的馬鈴薯新材料,，可以直接應(yīng)用于育種,。

 據(jù)了解,，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”發(fā)布的首個(gè)科研成果，““當(dāng)馬鈴薯完全利用種子種植時(shí),，只需要2克的種子就能種出一畝馬鈴薯,。”張春芝表示,，“優(yōu)薯計(jì)劃”將會(huì)徹底顛覆馬鈴薯的生產(chǎn)方式,，接下來還將發(fā)布多個(gè)科研成果。