作者：李晨 来源：中国科学报
“马铃薯和甘薯的杂交育种是一个里程碑式进展，将为非洲、亚洲和拉丁美洲的农民提供高附加值的商品。”近日，在2023国际农科院院长高层研讨会上，中国农业科学院深圳基因组所研究所（以下简称农科院基因组所）和秘鲁利马国际马铃薯中心联合倡议发起全球杂交马铃薯联盟。
二倍体马铃薯杂交种（中）具有显著的杂种优势。农科院基因组所供图
国际马铃薯中心总干事Simon Heck说，杂交育种将加速超级品种的选育，以应对不断变化的气候环境以及不断增长的市场需求，该中心将在科学和组织方面给予充分的支持。
杂交马铃薯育种已成为全球共识
“马铃薯是全球第三大粮食作物，在全球粮食安全中发挥着重要作用。”国际马铃薯中心亚太中心国家联络科学家Philip Kear说，马铃薯在 100 多个国家种植，2019 年种植面积超过 1700 万公顷，产量超过 3.7亿吨。全球大约有13亿人以马铃薯为主食。
在过去的 40 年里，发展中国家，特别是东非、南亚和中国的马铃薯生产面积快速增加。Heck介绍，2050全球粮食安全项目预测，未来马铃薯、甘薯以及其他根茎类作物将对全球粮食供自做出更多贡献。例如，在非洲，农业生产最大的增长来自于根茎类作物，预计只有很小的比例来自于谷物类。在亚洲和拉丁美洲，根茎类作物的增加将接近谷物类的增加。
但是，根茎类作物生产和供给的增长远不能满足日益增加的需求。谷物类作物在产量上实现了巨大的飞跃，而根茎类作物没有经历类似的“绿色革命”。“事实上，它们是唯一的没有在遗传改良方面实现飞跃的作物。”Heck说。
一些有百年历史的马铃薯品种，如 Russet Burbank（1902 年在美国选育）和 Bintje（1904 年在荷兰选育），仍然被广泛种植。此外，与种子作物的繁殖相比，生产、储存和运输脱毒种薯的成本要高得多。
这是因为，“与马铃薯的繁殖方式有关的一些结构性障碍阻碍了其在削减世界饥饿和贫困方面发挥更大的作用。”联盟发起人之一、基因组所高级顾问王韧告诉《中国科学报》，马铃薯是一种异交的同源四倍体物种，利用块茎进行无性繁殖。由于四倍体遗传的复杂度和基因组高度杂合，马铃薯育种进展缓慢，现代遗传学和基因组学工具难以在马铃薯中应用。
Kear指出，将马铃薯从无性繁殖的四倍体转变为种子繁殖的二倍体，即杂交马铃薯育种，是马铃薯产业的革命性创新，有可能带来产业的“绿色革命”。“这已经成为全球共识，多家科研机构和种业公司竞相开展杂交马铃薯育种研究。”Kear说。
“气候变化以及消费需求的不断变化促使我们构建更加多元化和可持续化的食物供给体系，根茎类作物的时代即将到来。通过杂交育种，实现这些作物的潜力指日可待。”Heck强调。
二倍体杂交种改良需要全球协作
“自交不亲和与严重的自交衰退是阻碍杂交马铃薯育种的两个关键障碍。”王韧介绍，在这两个研究方向，农科院基因组所都取得了突破性进展。首先，通过基因编辑的方法克服了马铃薯自交不亲和的难题，随后筛选到了天然的自交亲和突变体，最近又克隆了自交不亲和抑制基因 Sli，彻底解决了杂交马铃薯育种的第一道障碍。
与自交不亲和由少数基因控制不同，自交衰退涉及到大量的基因，克服这一障碍的难度也更大。研究人员对导致自交衰退的有害突变进行了系统解析，提出了解决自交衰退的方法。
基于以上研究，农科院基因组所的科研人员利用基因组大数据进行育种决策，在杂交马铃薯基因组设计育种方面取得了里程碑式的突破。
Kear介绍，2015 年底，农科院基因组所从国际马铃薯中心引进了 100 多份二倍体农家种，然后利用五年时间从两份农家种中选育出了高度纯合的自交系，进而培育出长势整齐一致、杂种优势强的 F1 杂交种。“通过基因组设计，育种家可以高效地淘汰隐藏在马铃薯基因组中的大效应有害突变，获得高纯合自交系，这是传统表型选择难以实现的。高纯合度的自交系是选育优质杂交种的前提，也是商业化推广的前提。”Kear说。
王韧介绍，该所育成的第一代杂交马铃薯命名为“优薯1号”，杂种优势强，具有高产潜力。田间试验表明，“优薯 1 号”每公顷产量约为 40 吨，接近当地主栽四倍体商业品种的产量。”“这一创新具有真正的潜力，可以将马铃薯育种从缓慢的、不可积累的模式转变为快速迭代的模式。”王韧说。
“随着“优薯 1 号”的培育成功，今天我们比以往任何时候都更接近“重塑马铃薯和马铃薯产业”的目标。”kear强调，然而，在中国和热带、亚热带地区，用种子种植马铃薯仍有许多工作要做，因为这些地区的农民正在努力获得高质量的种薯块茎。
马铃薯杂交育种仍处于起步阶段。目前的二倍体杂交种仍需进一步改良，特别是在产量和抗生物/非生物抗性方面。“只有通过研究机构和业界的共同努力，通过全球伙伴关系和协作，才能实现这一目标。”Kear说。
构建杂交马铃薯全球科技共同体
Heck介绍，为了实现这一目标，国际马铃薯中心将在以下几个方面进行努力：协助加速选育适应不同环境、生产和消费习惯的新品种；协助构建杂交种子生产体系，使杂交马铃薯可以在非洲、亚洲和拉丁美洲被广泛获取；促进政府、研发机构、种植者以及产业界不同部门进行材料交换、信息交流和对话；参与联盟成员的培训和能力提升。
“我们建议成立一个全球杂交马铃薯联盟。”Kear说。该联盟的使命是在 2030 年前向数百万农户提供杂交马铃薯种子，为世界粮食和营养安全做出贡献。
“作为联盟成员，农科院基因组所决定将其培育的杂交马铃薯‘优薯1号’及其两个亲本（高纯合自交亲和二倍体自交系）作为公共产品，通过免费向任何机构或行业授予专利材料的使用权，促进全球合作，开发更多适合不同环境和地区的杂交马铃薯品种，构建杂交马铃薯全球科技共同体。”王韧强调。
其他联盟成员可以根据联盟商定的机制，为联盟的使命和目标贡献他们的马铃薯育种材料、知识或信息。
农科院基因组所专家赴卢旺达考察马铃薯育种情况。农科院基因组所供图
作为成员国代表，卢旺达国家农业和动物资源委员会主任Telesphore Ndabamenye强调了马铃薯在保障粮食安全、应对气候挑战以及作为重要的收入和生计来源方面的重要作用，特别是在非洲国家。
他说，全球马铃薯联盟、卢旺达国家农业与动物资源委员会和农科院深圳基因组所联合建立了实验室，是培育马铃薯品种的重要平台，以应对当前和未来马铃薯生产面临的挑战。这将有助于提升卢旺达的马铃薯研究能力，为卢旺达的粮食安全带来许多长期利益。
“我们有信心实现这些目标，杂交育种将使马铃薯和甘薯成为粮食安全和农业经济增长的主要贡献者。”Heck说。
