“我在湖南的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)長(zhǎng)大。改革開(kāi)放以后包產(chǎn)到戶，家里一直種植水稻，有一年水稻產(chǎn)量突然提高一倍，我很吃驚并問(wèn)父親這是怎么回事，父親說(shuō)種了袁隆平的雜交水稻品種。因此我從事農(nóng)業(yè)科研一定程度上受到袁老的影響?！? 月 26 日，剛在 Cell 發(fā)表 “雜交土豆里程碑論文” 的中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員，向 DeepTech 講述了自己的從農(nóng)歷程。

兩天前，其擔(dān)任通訊作者的論文《雜交土豆的基因組設(shè)計(jì)》（Genome design of hybrid potato）一經(jīng)發(fā)表，便引起了不小的轟動(dòng)，這不僅是因?yàn)榧夹g(shù)難度，更因?yàn)殡s交土豆很容易讓人聯(lián)系到袁隆平的雜交水稻。

而黃三文也確實(shí)在 2020 年拜訪過(guò)袁老，袁隆平很贊賞他開(kāi)展的 “優(yōu)薯計(jì)劃”，并題詞 “馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來(lái)馬鈴薯的綠色革命”。

黃三文團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)的 “優(yōu)薯計(jì)劃 “是運(yùn)用 “基因組設(shè)計(jì)” 的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。目前已培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交優(yōu)勢(shì)顯著的雜交馬鈴薯品系 “優(yōu)薯 1 號(hào)”。

可解決塊莖運(yùn)輸問(wèn)題

黃三文告訴 DeepTech，土豆是無(wú)性繁殖，它的繁殖器官就是塊莖，一個(gè)土豆有好幾個(gè)芽，把土豆切成幾塊，每塊上面都有一個(gè)芽，種到地里面等它長(zhǎng)出一個(gè)完整的植株然后再結(jié)薯塊。相比種子，塊莖的體積很大，種一畝土豆需要 200 公斤種薯，儲(chǔ)運(yùn)很不方便。

此外，由于種薯是鮮活的器官，很容易感染上病蟲(chóng)害，因此要經(jīng)歷脫毒的步驟，期間會(huì)耗費(fèi)巨大的人力物力。而種子是一個(gè)自我凈化的過(guò)程，很少有病害可通過(guò)種子傳播，種一畝土豆也只需 2 克種子。

假設(shè)，想在非洲種植一億畝土豆為例，由于天氣炎熱，當(dāng)?shù)責(zé)o法生產(chǎn)種薯，因此必須從其他地方運(yùn)過(guò)去，那么就需要兩千萬(wàn)噸種薯，這時(shí)必須得用船運(yùn)，但會(huì)導(dǎo)致還未達(dá)到目的地，種薯就壞掉了。如果使用種子則只需兩百噸，這意味著一趟飛機(jī)就能運(yùn)過(guò)去，從而讓糧食安全更有保障。

非洲以木薯為主食，當(dāng)?shù)叵奶旆N植木薯。如果冬天種植一億畝地的土豆，估計(jì)可滿足非洲人口半年的口糧。在全球范圍內(nèi)，13 億人口把土豆作為主糧之一，因此土豆是非常有前途的作物。

多數(shù)人吃的土豆，都是從歐洲土豆培育出的口味，風(fēng)味比較寡淡?！皟?yōu)薯 1 號(hào)” 的 “血緣” 來(lái)自南美，因此口感很不錯(cuò)。胡蘿卜素的含量比較高，所以土豆顏色接近金黃色。

2020 年 11 月 8 日，黃三文拜訪袁隆平院士，跟他談起正在做的雜交土豆。他們談到，當(dāng)前中國(guó)南方種植土豆，都要從內(nèi)蒙和東北調(diào)用種薯，因?yàn)槟壳暗姆N薯只能在氣候較冷的地方生產(chǎn)。

基于此，袁隆平認(rèn)為該技術(shù)至少應(yīng)該叫雜交馬鈴薯種子技術(shù)，因?yàn)樗芙鉀Q兩大問(wèn)題：

其一，利用中國(guó)南方冬閑地種植土豆，來(lái)給中國(guó)糧食安全增加一層保障，即在當(dāng)年 11 月種完水稻到來(lái)年的 3 月份，由于光熱條件這四個(gè)月時(shí)間無(wú)法種植水稻，但可以種植喜歡冷涼環(huán)境的土豆；其二，有了雜交土豆種子，也可解決種薯調(diào)運(yùn)難、脫毒費(fèi)用大的問(wèn)題。

一顆雜交土豆的 “孕育”

本次研究前，該團(tuán)隊(duì)還解決了兩個(gè)難題，第一個(gè)難題是二倍體的土豆在自花授粉后不能形成種子，因?yàn)樗嬖谧越徊挥H和的強(qiáng)制異交的生物學(xué)機(jī)制。他們通過(guò)基因編輯、篩選突變體、導(dǎo)入野生基因等幾種方式后，均獲得成功。

這等于打破了自交不親和的現(xiàn)象，這是土豆即可進(jìn)行自交，相關(guān)論文于 2018 年發(fā)表在Nature Plants。

第二個(gè)難題叫自交衰退，這其實(shí)和人類一樣，人類不能近親結(jié)婚就是因?yàn)殡[性有害基因可能會(huì)純合，就會(huì)形成遺傳病。而土豆的隱性有害基因含量更多，由于進(jìn)行長(zhǎng)期的無(wú)性繁殖，野生土豆是兩套基因，栽培土豆是四套基因，四套基因中只要有一個(gè)基因是好的，另外三個(gè)基因由于是隱性突變，因此看不出來(lái)效果。但是在自交的過(guò)程中，隱性基因會(huì)重合，進(jìn)而帶來(lái)不利效果。

在 Cell 發(fā)表本次文章之前，該團(tuán)隊(duì)在 Nature Genetics 曾發(fā)表兩篇論文，來(lái)分析有害突變?cè)谕炼够蚪M中的分布情況。

他們最終得出兩個(gè)主要結(jié)論：

第一，有害突變?cè)谕炼苟扼w中，是以鑲嵌的形式分布在兩套基因組上面，也就是說(shuō)有害突變并非全部在一套基因組上、或者集中在基因組上的某些區(qū)域，這意味著無(wú)法完全通過(guò)重組去淘汰所有有害突變。

第二，有害突變非常具有個(gè)體特異性，每一個(gè)材料的有害突變都不一樣。如果用不同材料培育自交系土豆，雖然自交系都攜帶了有害突變，但是在 F1 種子中，因?yàn)橛胁煌耐蛔儯蔷涂梢赃M(jìn)行互補(bǔ)。因此，F(xiàn)1 種子中不會(huì)展示出這些突變。當(dāng)然，必須首先淘汰掉起著主要效應(yīng)的有害突變，因?yàn)榇笮?yīng)有害突變會(huì)使親本表現(xiàn)不好。

有了上述兩大結(jié)論的支持，本次 Cell 論文則詳細(xì)介紹了如何選擇材料、如何淘汰有害突變、如何打破有害突變和優(yōu)良基因的連鎖、如何選擇親本。

研究成果比荷蘭團(tuán)隊(duì)的更好

2005 年，黃三文開(kāi)始研究土豆基因測(cè)序。與此同時(shí)，荷蘭也開(kāi)始研制雜交土豆，并在 2011 年發(fā)表相關(guān)論文。

2011 年，他完成了基因組序列圖，以通訊作者身份在 Nature 發(fā)表了相關(guān)論文，并已具備對(duì)有害突變的初步認(rèn)識(shí)，這時(shí)就能在基因組的指導(dǎo)下研究雜交土豆。

2013 年，該團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)馬鈴薯》雜志上發(fā)表論文，提出通過(guò)基因組設(shè)計(jì)開(kāi)展雜交馬鈴薯育種的思路。兩年后，美國(guó)團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始發(fā)表關(guān)于雜交土豆的相關(guān)文章。

也就是說(shuō)，中荷雙方團(tuán)隊(duì)基本同時(shí)開(kāi)始對(duì)雜交土豆產(chǎn)生興趣，但荷蘭的研究起步更早。2020 年，經(jīng)過(guò)十幾年的研究，荷蘭團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于二倍體馬鈴薯自交系的新論文，但是基因組的純度只有 80%。

每個(gè)土豆平均有 4 萬(wàn)個(gè)基因，平均 20% 的基因組就有 8000 個(gè)基因。如果另一個(gè)親本也有 20% 的雜合度，那就有 16000 個(gè)基因分離，這樣雜交種就分離太大了。

黃三文說(shuō)，選定一個(gè)品種通常有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其一是獨(dú)特性，其二是穩(wěn)定性，其三是整齊一致性。故此，荷蘭團(tuán)隊(duì)的品種并不符合標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闀?huì)阻礙商業(yè)推廣。

對(duì)比來(lái)看，荷蘭團(tuán)隊(duì)耗時(shí)十幾年培育出的雜交土豆的基因組純度不高，而黃三文團(tuán)隊(duì)的雜交土豆基因組純度已達(dá) 99%，他認(rèn)為這是因?yàn)楹商m團(tuán)隊(duì)對(duì)基因組有害突變的理解和淘汰力度還不夠所致。

肯定會(huì)最先在國(guó)內(nèi)推廣該技

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在 15 年后，解決雜交土豆的系列問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)全面產(chǎn)業(yè)化。其中，種子生產(chǎn)是最重要的環(huán)節(jié)之一。

他告訴 DeepTech，雜交制種分為母本和父本，去除母本的雄蕊，然后把父本的花粉授粉到母本的柱頭上，即可獲得 F1 的種子。

他說(shuō)肯定不能用人工去雄的方式，而是要采用不育系母本。相比水稻，土豆只有兩個(gè)系，即不育系和保持系，而未來(lái)他們有可能采用昆蟲(chóng)授粉。

黃三文表示，肯定會(huì)最先在國(guó)內(nèi)推廣該技術(shù)。中國(guó)有 18 億畝田地，主要用來(lái)種植水稻、小麥和玉米，由于沒(méi)有太多土地來(lái)種植大豆，因此中國(guó)每年進(jìn)口約一億噸大豆、以及兩三千萬(wàn)噸的玉米和小麥。之所以進(jìn)口大豆，是因?yàn)樗峁┑娘暳系鞍?，是?dòng)物飼料的重要組成部分。

而該團(tuán)隊(duì)正在培育的雜交土豆，有望做飼料專用的品種。假如將來(lái)在華南推廣雜交土豆時(shí)，冬閑地面積較大，那么就可把土豆做成飼料。

現(xiàn)代土豆品種含有 18% 左右的干物質(zhì)，種質(zhì)資源中則有接近 50% 的干物質(zhì)含量。因?yàn)?，他們?jì)劃培育專門(mén)飼用土豆品種，目標(biāo)干物質(zhì)含量達(dá)到 30%，蛋白含量則希望從 2% 達(dá)到 5%。

土豆蛋白是非常優(yōu)質(zhì)的蛋白，做飼料絕對(duì)沒(méi)問(wèn)題。目前，湖南和云南等地的農(nóng)戶，一旦土豆產(chǎn)量有盈余，就會(huì)拿來(lái)喂豬。如果雜交土豆可用作飼料，即可替代部分大豆和玉米的進(jìn)口。

談及研究中難忘的事情，黃三文說(shuō)必須表?yè)P(yáng)本次論文的第一作者張春芝。他說(shuō)當(dāng)初立項(xiàng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)在土豆方面并沒(méi)有太多積累。大約 7 年前，黃三文和張春芝溝通完雜交土豆研究計(jì)劃后，后者勇敢接受了該任務(wù)。

大概研究五年左右，他們終于于 2018 年在發(fā)了首篇雜交土豆的相關(guān)研究論文。而現(xiàn)在，張春芝已經(jīng)是基因組所的研究員，2020 年還當(dāng)了優(yōu)青。

受袁隆平啟發(fā)從事農(nóng)業(yè)，留學(xué)荷蘭畢業(yè)后歸國(guó)

黃三文說(shuō)，他在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)讀書(shū)時(shí)見(jiàn)過(guò)袁隆平，當(dāng)時(shí)后者曾來(lái)到農(nóng)大講課。他也看過(guò)雜交水稻紀(jì)錄片《從三系到一系》，當(dāng)然那時(shí)還沒(méi)想到用雜交水稻的方法做土豆。

碩士畢業(yè)后，黃三文進(jìn)入中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所做助理研究員。2000 年，他出國(guó)到荷蘭瓦赫寧根大學(xué)讀博，學(xué)習(xí)土豆抗病基因克隆。

其導(dǎo)師埃弗特·雅各布森（Evert Jacobsen）和理查德·維瑟（Richard Visser）是國(guó)際馬鈴薯基因組計(jì)劃的發(fā)起人，在該計(jì)劃的發(fā)起早期，他就參與謀劃并領(lǐng)取相關(guān)任務(wù)，即對(duì)土豆的 11 號(hào)染色體進(jìn)行測(cè)序。

2004 年回國(guó)前，一位老師把一篇關(guān)于雜交玉米育種歷史的論文（《1930 年代的生物技術(shù)》）發(fā)給他，受到該文章的啟發(fā)，他在想是否能把土豆從塊莖繁殖變?yōu)殡s交種子繁殖。

當(dāng)時(shí)還覺(jué)得是異想天開(kāi)，土豆存在很多有害突變，自交以后會(huì)出現(xiàn)衰退，要想知道有害突變的分布規(guī)律，就必須知道基因組。

而正如前文所述，后來(lái)他完成了系列研究，并有了今天的成果。值得注意的是，在本論文中黃三文特別向袁隆平表示了致敬，感謝了他對(duì)于雜交土豆研究的啟發(fā)和鼓勵(lì)。

如今，深圳在大鵬新區(qū)給他了兩千畝試驗(yàn)地，他認(rèn)為鄉(xiāng)村振興不能只靠農(nóng)村，也要靠城市的科技支持。他說(shuō)，在深圳做農(nóng)業(yè)科技優(yōu)勢(shì)很大，當(dāng)?shù)刂С秩瞬欧浅＝o力，各種硬件也非常好，因此他非常鼓勵(lì)更多有志之士來(lái)深圳搞農(nóng)業(yè)科研。

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參考：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.06.006