北京時間2023年5月4日，國際頂級期刊《細胞（Cell）》在線發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊在雜交馬鈴薯育種領域的最新研究成果，題為「Phylogenomic discovery of deleterious mutations facilitates hybrid potato breeding（利用進化基因組學鑑定有害突變進而指導雜交馬鈴薯育種）」。該研究是「優薯計劃」又一階段性重大突破。

    馬鈴薯是最重要的塊莖類糧食作物，是我國第四大主糧作物。與其他主糧作物相比，馬鈴薯有明顯的種植推廣優勢，如產量高、用水少、可種植地域廣等優點。然而，馬鈴薯在長期的無性繁殖過程中，累積了大量的隱性有害突變，一旦自交之後，這些「看不見」的有害突變的各種不良效應便會顯現出來，導致自交衰退，主要表現為生活力下降、不育、抗性減弱、產量降低等，嚴重妨礙高產優質的馬鈴薯品種的培育。

    為了培育高產優質馬鈴薯品種，科學家需要找到優良的自交系起始材料用於培育優良的二倍體馬鈴薯雜交種，而如何鑑定並選擇自交系育種起始材料以及進一步培育高產優質品種就成了擺在研究人員面前的一道難題。為此，研究人員收集了38份茄科材料，結合已發表數據，整理並比對了95份茄科材料、5份旋花科材料的基因組信息，這些材料累計有十二億年的進化時間。通過這段進化歷史的突變積累及選擇結果，本研究從全基因組層面鑑定了進化保守位點及其程度（進化保守值），保守值越高的位點具有更重要功能，這些位點突變後更可能對馬鈴薯產生不良效應即有害突變。本研究將進化保守值作為有害程度值從而鑑定並定量了馬鈴薯有害突變即開發歷史透鏡，從全基因組層面探明了有害突變全貌，繪製了首個包含基因型維度及有害程度維度的馬鈴薯有害突變二維圖譜，為下一步指導親本選擇及品種改良提供了依據。

    研究人員發現按照傳統表現育種經驗，選擇長勢好的材料作為起始材料，然而，該研究發現，馬鈴薯自交系構建中，事實並非如此，恰恰相反，長勢良好的親本材料往往隱藏着更高的雜合有害突變及有害突變遺傳總量，也就是說，它們自交產生的後代中有害突變會更多，就更不易培育出優質的馬鈴薯自交系，也就是說基因組指導與表型選擇相反即反直覺。這也是為什麼按照表型選擇會導致自交系構建失敗的原因。研究人員提出的依據有害突變遺傳總值來指導親本的反直覺選擇新依據，可以提早預判自交系構建成敗，從而在短時間內創造更多自交系及雜交品種。

    然而，即便選擇了「理想」的親本材料，構建了自交系，育種家們還要進行雜交組培及品種改良，需要等待漫長的整個生育周期才能「看到」培育出的品種效果或性狀，如果經過表型鑑定馬鈴薯薯塊出現不好的效應，就意味着一切都要「重頭再來」，這一過程不僅會消耗大量的人力物力，還會嚴重拖緩馬鈴薯的育種過程。有沒有一種辦法可以準確提前預測後代的馬鈴薯性狀？黃三文團隊提出了一種全基因組預測新模型，通過將有害突變信息納入模型中，可大幅提高產量、株高、薯塊等性狀的預測準確度，經測試，該模型相比沒有害突變信息的模型的預測準確度顯著提高了45%，相比隨機有害突變信息模型的預測準確度提高了25%，在馬鈴薯育種中達到了前所未有的準確度。

    該新模型不僅能夠更好地幫助育種家制定早期育種決策，從而降低育種成本，縮短馬鈴薯育種周期，還能應用在其他作物育種預測中。本研究通過利用進化基因組學開發歷史透鏡，高通量鑑定並整合全基因組功能位點、有害突變二維圖譜，指導馬鈴薯育種決策，加速馬鈴薯育種進程，是我國雜交馬鈴薯育種技術取得又一重大突破。

    對於這一重大突破，中外專家給予了高度評價。中國科學院院士李家洋（崖州灣實驗室主任、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員）點評說「黃三文團隊這一研究成果不僅對馬鈴薯，還將會對糧、油、果、蔬、茶都有重要的指導作用」。明尼蘇達大學教授彼得·莫雷爾則點評說「優薯計劃是最雄心勃勃的計劃，可能是我聽說過的有魄力的項目之一。黃三文團隊設計實驗並有效鑑定出有害的遺傳變異，進而達到能夠長期不斷改良產量等性狀。」（記者 羅國淮）