图1 利用基因组编辑技术创制自交亲和的二倍体马铃薯
a：在普通二倍体马铃薯的花柱中，花粉管的延伸会受到抑制，而S-RNase基因突变的花柱中，花粉管可以正常生长。
b：普通二倍体马铃薯由于自交不亲和自花授粉后不会产生果实，而S-RNase基因突变后的马铃薯自花授粉可以产生饱满的果实。
图2 马铃薯全基因组范围内的偏分离及自交衰退相关表型
a－c：三个自交群体的偏分离情况。红色越高表示偏分离的情况越严重，箭头表示大效应有害突变所在的位置。
d、f、h、j和l表示正常植株，e、g、i、k、m和n分别表示对应的突变性状，如根发育畸形、白化苗、叶缘黄化、叶片褪绿、多分枝和过度营养生长。
马铃薯的杂交种子，将在这里诞生。
2018年12月底的昆明，风和日丽，如春天般温暖。阳光透过温室顶棚的玻璃，投射在一棵棵绿色的小苗上。
它们的无数后代中将会出现未来马铃薯的二倍体亲本。到那个时候，农民种在地里的将不再是马铃薯薯块，而是一粒粒马铃薯种子；各种各样符合消费者多样化需求的马铃薯品种也会百“薯”齐放。
这就是中国农业科学院“优薯计划”描绘的未来马铃薯产业的图景。
“优薯计划”瞄准结构性障碍
你可能想像不到，我们现在吃的马铃薯和几十年前人们吃的是同样的品种。
和其他农产品新品种层出不穷的情况不同，优质马铃薯新品种并不多。一些上百年历史的马铃薯品种仍然在广泛种植，如美国的Russet Burbank（1902年育成）和荷兰的Bintje（1904年育成）。中国栽培面积最大的品种“克新1号”是1958年育成的，至今已经种植了近60年。
作为一种营养全面的世界第三大主粮作物，却缺乏有效的育种手段，新品种选育周期漫长，一般需要10-15年，且难以实现预期的育种目标，不能满足生产和产业发展对高产、抗病和多样化用途新品种的需要。
“这是因为一直存在两个结构性障碍制约着马铃薯深入研究和产业的可持续发展”。“优薯计划”首席科学家、中国农业科学院研究员黄三文告诉《中国科学报》，马铃薯普通栽培种是同源四倍体，其杂交后代性状分离，导致其育种研究困难；而且，四倍体马铃薯栽培品种主要通过薯块繁殖，繁殖系数低，只有1:10，用种成本高，易携带病虫害，不仅制约了优良新品种的迅速大面积推广应用，也是导致我国平均单产水平很低的主要原因之一。
2017年1月，黄三文用一只马克笔在办公室的白色玻璃隔断上写下马铃薯杂交育种的创想。“马铃薯产业的可持续发展急需重大科技创新驱动。”他说。
那就是用杂交种子种马铃薯。
为了破除上述两个结构性障碍，“优薯计划”应运而生。黄三文介绍，“优薯计划”将用二倍体自交系替代同源四倍体栽培品种进行杂交育种，可将育种周期从10-15年缩短为3-5年，大幅度提高育种效率；用储运方便且不带主要病虫害的杂交种子替代块茎繁殖，将把繁殖系数提高1000倍，为我国每年节省1000万亩种薯繁育用地，并解决1000万吨种薯储运难题。
2017年和2018年，农业农村部相关领导与深圳市领导两次前往优薯计划承担单位——中国农科院深圳基因组所（以下简称基因组所）调研“优薯计划”；2017年3月，农业农村部组织国内马铃薯专家前往项目单位云南师范大学听取“优薯计划”项目汇报；2017年3月由多名国内外院士组成的专家小组论证了“优薯计划”，一致认为该计划意义重大，应尽快启动。
2017年，在中国农科院科技创新工程、深圳市和云南省的大力支持下，“优薯计划”按照既定目标开始推进。
黄三文向记者强调，选择云南师范大学作为合作方，是因为云南师范大学拥有40年历史的马铃薯传统特色学科和丰富育种经验，其成果-新品种“合作88”的培育入选了我国与国际农业研究磋商组织（CGIAR）战略合作30年来的标志性成果。为了更有效地推动这个计划，中国农业科学院和云南师范大学联合成立了马铃薯科学研究院。
攻克马铃薯自交不亲和难题
尽管栽培马铃薯品种不多，遗传背景单一，但是自然界中70%的马铃薯种质为二倍体，其丰富的遗传变异为“优薯计划”的实施提供了基础。
不过，二倍体马铃薯普遍存在自交不亲和和自交衰退现象，限制了自交系的创制。自交不亲和是指具有完全花并可以写成正常雌雄配子，但不能自花授粉结实的一种自交不育性。
而自交衰退在异花授粉植物中也是一种普遍存在的现象：在进行连续多代自交后，会出现生理机能的衰退，表现为生长势减弱、产量降低。
这两种现象都是植物在长期进化过程中形成的，保证了遗传多样性，有利于进化和适应环境。
“然而，这是摆在“优薯计划”面前的两大绊脚石。”黄三文说。
他们第一项重要工作就是攻克马铃薯自交不亲和的难题。
领衔这项工作的中国农业科学院深圳农业基因组研究所的博士后张春芝告诉《中国科学报》，克服自交不亲和的传统方式是利用来自野生马铃薯中的自交不亲和抑制基因（S-locus inhibitor，Sli），但是Sli基因被导入栽培种后会产生长匍匐茎、高龙葵素含量等一系列不良的农艺性状，增加了遗传改良的难度。
为了寻找一种更有效的克服自交不亲和的方法，他们创新性地利用基因组编辑技术解决这一难题。马铃薯的自交不亲和是由核糖核酸酶基因（S-RNase）控制的，该基因在不同材料中的多态性非常高，很难通过同源克隆的方法克隆到S-RNase基因的全长。
研究人员发现，通过对柱头转录组进行从头拼接，可以获得S-RNase基因的全长序列，并利用基因组编辑技术对此基因进行了定点突变，获得了自交亲和的二倍体马铃薯，并通过自交获得了不含有外源片段和任何野生基因组片段的马铃薯新材料。
这种新材料可以直接应用到育种过程中，为“优薯计划”的顺利实施提供保障。
2018年8月13日，《自然—植物（Nature Plants）》杂志在线发表了云南师范大学马铃薯科学研究院和基因组所研究团队的上述成果，这是“优薯计划”实施以来发表的首篇重要研究论文。
英国詹姆斯?赫顿研究所马克?泰勒（Mark Taylor）博士为此撰写了评论，认为该研究开辟了二倍体马铃薯育种的新途径，拓展了自交亲和马铃薯资源，将加速马铃薯的遗传改良。另外，泰勒也指出，虽然目前二倍体马铃薯的产量低于四倍体，但是没有证据表明二倍体一定比四倍体差，而且利用基因组编辑技术解决自交不亲和的问题也间接证明了在二倍体水平上进行的遗传改良将更加快速和高效。
向更好吃的马铃薯推进
伦敦时间2019年1月14日，《自然—遗传》（Nature Genetics）杂志在线发表了团队完成的马铃薯自交衰退遗传机制解析的研究成果，这是“优薯计划”实施以来取得的第二项重大理论突破。
隐性有害等位基因隐藏在高度杂合的四倍体基因组中，使得优良等位基因很难聚合在一起，这是导致马铃薯育种周期长的主要原因。
论文第一作者张春芝告诉记者，他们鉴定了全基因组范围内共344,831个有害突变，并发现任意两份二倍体材料之间相同的有害突变仅为11％。
“这说明不同品系马铃薯的有害突变差异性比较大，可以通过杂交让这些有害突变不表达出来，从而获得具有杂种优势的F1杂交种。”张春芝说。
最终，他们鉴定出5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。而且这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域，说明是可以通过遗传重组将它们有效清除的。
“第二个绊脚石也能被搬开。发现这些有害基因位点，将会大大提高我们培育出具有杂种优势材料的速度。最终，我们将会通过杂交选育淘汰自交衰退基因，培育出马铃薯杂交种子。但这还需要时间。”黄三文说。
与此同时，优薯计划已经把目光投向了马铃薯的风味问题。
云南师范大学马铃薯科学研究院教授尚轶和黄三文团队构建的多组学代谢研究体系正用于马铃薯营养品质、风味形成分子机制研究。
尚轶告诉《中国科学报》在漫长的进化过程中，植物合成出数量巨大、结构异常丰富的次生代谢产物。这些化合物在调节植物和外界环境的相互作用中发挥着重要作用，影响了作物的营养与风味品质，同时也为医药、化妆品等商品提供了重要的原料来源。
随着组学大数据技术的飞速发展，通过整合基因组、转录组、代谢组以及蛋白组等多种组学技术，发掘控制植物次生代谢产物合成、调控、转运等过程的关键基因已越来越普遍。相关研究将为培育营养丰富、风味独特、口感好的马铃薯新品种提供理论和技术支持。
记者获悉，欧洲已有3家公司投入大量资金研发马铃薯杂交种子，而美国多位马铃薯科学家也于2016年联合发表文章，呼吁加强马铃薯二倍体研究。但目前，他们多采用传统育种手段，而我国的优薯计划是最早采用基因组手段研究马铃薯二倍体的。
相关论文信息：
DOI：10.1038/s41477-018-0218-6；
DOI：10.1111/tpj.14132；
DOI：10.1038/s41588-018-0319-1。
