马铃薯(土豆学名)能用种子种植吗?这个困扰了人类数百年的难题终于有解了。
今年6月，世界著名学术杂志《Cell》在线发表的杂交马铃薯育种领域的研究成果显示，马铃薯用种子繁育在理论上已成为可能。
这项重大突破的完成者是中国农业科学院(深圳)农业基因组研究所(下称基因组所)的黄三文团队。
今年2月，由黄三文团队用马铃薯种子培育的“优薯一号”马铃薯成熟采收后测产，种植效果远超预期——亩产近3吨。
这标志着马铃薯种植的世界性难题得到解决，也向世界宣告：在马铃薯育种这场马拉松式的全球竞逐中，中国研究
14个国家的科研团队同场竞技
自人类耕种马铃薯以来，就必须使用薯块进行无性繁殖，也就是将发芽的薯块种进土里进行种植，不仅麻烦，且成本较高。
如果改用种子种植就能避免这些问题，但育种专家们做过不少尝试，都未能取得突破。
为了解决这一世界性难题，黄三文团队与云南师范大学马铃薯科学研究院于2015年共同发起了“优薯计划”，专门进行技术攻关。
“当前全球主要种植的马铃薯品种，都是数十年乃至百年前育成的，并且均是薯块无性繁殖。”基因组所相关负责人介绍说，比如薯条专用型品种RussetBurbank(麻皮布尔班克)，1902年育成，至今已经119年了。“这并不是因为这些品种多么优秀，而是因为马铃薯要育成新的品种难度实在太大。”
“难在它特殊的基因组。”基因组所研究员、“优薯计划”团队核心骨干张春芝接着说，当前主要的粮食作物，如水稻、玉米，都是二倍体育种，而马铃薯是四倍体(二倍体是指某个生物有两套基因组，四倍体就是有四套基因组。)
一般来说，杂交育种是通过杂交使作物获得新的基因，并稳定遗传下去。基因组倍数越高，则杂交育种就越难。“以马铃薯为例，四倍体育种周期10—15年，二倍体育种周期3—5年。”张春芝解释说。
为何马铃薯不能用种子种植呢?张春芝介绍，传统四倍体的马铃薯种子，也能种出来，但种出来的马铃薯，性状差异非常大，稳定性很低，品质不能保证，大部分都比亲本的薯块差。“上世纪八九十年代，科学家们曾经推广过四倍体种子种植，但都因为效果不好而终止。”张春芝说。
在“优薯计划”团队负责人黄三文看来，想要破解马铃薯育种难题，就必须先“认识”马铃薯。
2005年，黄三文加入了由14个国家97名研究人员组成的国际马铃薯基因组测序联盟，对一种优良的马铃薯育种材料二倍体RH的基因组图谱发起了科研攻关，也拉开了全面“认识”马铃薯的序幕。
2008年底，攻关遇到了困难，包括黄三文在内的中方团队提出了一种新的办法，并于2009年完成了单倍体马铃薯基因组的测序、拼接和注释工作，当年9月23日宣布完成了马铃薯全基因组序列图，为后期的育种研究奠定了基础。
2020年9月28日，国际权威学术期刊《自然·遗传学(NatureGenetics)》在线发表了“优薯计划”团队首次测序完成的杂合二倍体马铃薯基因组，该研究成果提供了迄今最完整的杂合马铃薯基因组。“这次测序完成的参考基因组信息是推进研究的关键，也为基因编辑等工作提供了较大的便利。”基因组所博士后、“优薯计划”团队成员贾玉鑫说。
在充分了解马铃薯的参考基因组信息后，“优薯计划”团队决定调整方向：放弃以往的四倍体品种，从二倍体重新“驯化”马铃薯。
事实上，以二倍体马铃薯为主攻方向的并非只有中国团队，荷兰、美国等国家的科研人员也认识到了二倍体马铃薯发展的潜力，各自组建团队跟进。面对激烈的国际竞争，中国团队加快技术攻关。
中国研究团队率先突围
然而，想要从二倍体马铃薯着手研究育种，还必须解决两个主要问题：自交不亲和与自交衰退。
据“优薯计划”团队介绍，四倍体的马铃薯种子种出来的后代大部分都比亲本的薯块差，而如果用二倍体种子繁殖的话，后代分离会非常大，商品性差。如果想获得生长一致的种子，第一步就是要培育出优良的自交系(一个单株经过连续多代自交而形成的一个株系)，然后通过自交系之间相互杂交培育出新品种。
可就是这第一步“自交”，是此前难以逾越的障碍。张春芝说，在自然界中，大部分二倍体马铃薯都是自交不亲和的，也就是说，自己的花粉授到自己的柱头上，无法产生种子。
如果想要让二倍体马铃薯种子能够被广泛种植，就必须克服这一障碍。如何破?“优薯计划”团队同时采用了两种方案。
第一种方案是利用基因编辑技术，这项技术是近年来较为前沿的新兴科技，在农业中也有广泛的运用，科学家能通过敲除和插入某个基因来有效控制农作物的性状，从而使得农作物拥有更优良的品质。
在“优薯计划”的研究中，团队利用基因组编辑技术对马铃薯自交不亲和的基因进行了定点突变，敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因，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任何外源片段但是自交亲和的马铃薯新材料，这种材料正是破解自交不亲和所需要的，可以直接应用于育种。
与此同时，“优薯计划”团队也没有放弃传统育种方法，他们从200多份种质资源中筛选到一份自交亲和的种质，筛选到了S-RNase的天然突变体，并克隆了来自野生种的自交亲和基因。
在两种方案的共同作用之下，自交不亲和的难题被彻底解决。
突破层层障碍效果远超预期
至此，马铃薯已经能够产生种子，但新的问题来了——这些种子培育出的植株会出现长势弱、产量较低等问题。
这就是“优薯计划”团队需要克服的第二个障碍：自交衰退。“就是指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。”贾玉鑫解释。
与自交不亲和由少数几个基因控制不同，自交衰退涉及很多基因，也更难克服。如果不了解二倍体马铃薯的基因构成，那么克服自交衰退问题则极为困难。想要有效地淘汰有害突变，就必须运用基因组分析技术。
“参考基因组信息可以视作作物遗传信息的地图，动植物产生的性状都完整记录在参考基因组信息之中。”贾玉鑫说，如果想要让作物拥有某个性状，只要在参考基因组信息内找到它后，就很容易对作物性状进行改进。
这难不倒“优薯计划”团队。因为，早在2011年，他们就对马铃薯的参考基因组进行了全面测序，并完成了马铃薯基因序列图的绘制。由于掌握了马铃薯的基因组信息，“优薯计划”团队“按图索骥”，非常顺利地完成了这部分工作。
2019年，也就是在克服自交不亲和问题的一年后，“优薯计划”团队又在《自然·遗传学(NatureGenetics)》上发表了克服自交衰退问题的相关成果。
在成功扫除两大障碍后，“优薯计划”团队终于在2020年成功培育出较为成熟的二倍体马铃薯杂交种——“优薯一号”。
今年2月，“优薯一号”马铃薯成熟采收后测产，种植效果远超预期——亩产近3吨，与常规种植产量接近，不仅节约了不少种薯，还避免了种薯因长距离运输带来的带病风险，“以前种植一亩马铃薯需要200公斤种薯，而我们现在用种子只需要2克。”张春芝算了一笔账，种植面积越大，原来需要的种薯就越多，由此带来的经济效益十分可观。
智库观察
具有战略意义的突破
在中国，马铃薯已被明确为小麦、水稻、玉米之外的第四大粮食作物，近年来，我国马铃薯种植面积稳定在8000万亩以上，鲜薯产量达到1亿吨。
可以说，马铃薯育种技术的历史性突破，事关粮食安全，具有重大战略意义。
“优薯一号”的出现，不仅成功将马铃薯的种植方式由薯块种植转变为种子种植，还证明了杂交马铃薯育种的可行性，使马铃薯遗传改良进入了快速迭代的轨道。可预见的是，它将为“端稳中国14亿人的饭碗”注入强大的信心。
在“优薯计划”执行过程中，无论是自交不亲和还是自交衰退问题的解决，都离不开前沿科技的身影，如分子育种、基因组测序、基因编辑等，“农业发展不可能一直守着传统的方式在做，前沿科技如果能够充分运用到种业，将会大大提升研究效率。”基因组所副所长钱万强说。
在这其中，黄三文所带领的“优薯计划”团队起到了至关重要的作用，他们掌握了参考基因组信息，“认识”并“读懂”了马铃薯，真正破解了长期制约马铃薯育种的“卡点”。
成功并非易事，采访中发现，“优薯计划”团队每一位成员都是长期奋战在马铃薯育种事业上。事实上，无论是马铃薯还是其他作物，种业研究与技术攻关都是一项长期的工程，有些科研人员甚至一辈子只为了培育一个品种，而且有可能没有重大突破。
种业翻身仗是一场苦仗，也是一场硬仗。“优薯计划”团队的成功经验表明：在种业技术攻坚克难的过程中，全社会应该保持足够的耐心，政府应该加大对核心团队、领军人才的支持和激励，投入资金更新设备、提高待遇吸引人才，按照能放尽放的要求赋予科研人员更大的人财物自主支配权，鼓励团队自主确定技术路线，大胆创新。让人才和团队获得足够的研究空间，有利于更大限度地激发和释放他们的能量。
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