基因组编辑技术解决马铃薯自交不亲和难题

近日，中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究团队利用基因组编辑技术克服了马铃薯自交不亲和难题，成果在线发表于《自然▪植物（Nature Plants）》杂志上，这是“优薯计划”实施以来发表的首篇重要研究论文。

马铃薯是世界上最重要的块茎类粮食作物。长期以来，马铃薯的研究和生产以四倍体为主要对象，使马铃薯产业面临两个结构性障碍。一是四倍体的遗传非常复杂，导致马铃薯育种周期长，品种更新慢。二是马铃薯以薯块进行繁殖，存在繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害等缺陷。为了彻底打破产业发展中的障碍，在农业农村部的支持下，基因组所黄三文研究员联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，即用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”，用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。该项目被中国农业科学院列为“重大产出科研选题”之一。

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。但是二倍体马铃薯普遍存在自交不亲和的现象，限制了自交系的创制。要实现“优薯计划”，首先需要解决自交不亲和的难题。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, 简称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，该团队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。研究人员通过对柱头转录组进行从头拼接，获得了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的马铃薯新材料。利用该方法获得的自交亲和马铃薯新种质不含有任何野生基因组片段，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。

 

英国詹姆斯▪赫顿研究所 (The James Hutton Institute) 的马克▪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，泰勒博士也指出，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。

该研究得到了农业农村部、中国农科院科技创新工程和云南省高端人才项目的支持。（通讯员 仰皖旭）