点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:马铃薯育种有了“火眼金睛”
首页> 光明科普云> 农业农村频道> 三农看点 > 正文

马铃薯育种有了“火眼金睛”

来源:光明网2023-05-05 08:48

  马铃薯是最重要的块茎类粮食作物,也是我国第四大主粮作物,全球有13亿人以马铃薯为主食。但你可能不知道的是,我们在快餐店吃的薯条,其实全都来自120年前育成的一个马铃薯品种,背后的重要原因之一马铃薯的育种进程十分缓慢。

  5月4日,国际权威期刊《细胞(Cell)》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队的最新研究成果:利用进化基因组学鉴定有害突变进而指导杂交马铃薯育种。

马铃薯育种有了“火眼金睛”

  该研究发明了一种新的“进化透镜”技术,给育种家一双“火眼金睛”,能够及早发现出阻碍马铃薯育种的基因组“暗礁”(科学家称之为“有害突变”),避免育种“走错路”,让大家能够更快吃上更优质的高产土豆。

  马铃薯杂交育种为何这么难?

  传统栽培马铃薯是同源四倍体,基因组复杂,导致育种进程十分缓慢。此外,目前马铃薯的种植方式是使用薯块进行种植,薯块易携带病虫害,并且运输及储存成本高。

  为解决上述难题,黄三文团队联合国内外优势单位发起了“优薯计划”,目的就是用二倍体马铃薯替代四倍体、用种子繁殖替代薯块繁殖、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种,彻底变革马铃薯的育种繁殖方式。将马铃薯的育种周期由原来的10~12年缩短至3~5年,繁殖系数提高1000倍,有望引领马铃薯产业的“绿色革命”。

  但要实现二倍体杂交马铃薯育种,需克服两个关键障碍:自交不亲和和自交衰退,前者是指植物自花授粉后不能产生成熟种子,后者则指的是自交或近交造成繁殖力、生活力及产量下降等。

马铃薯育种有了“火眼金睛”

  为解决这两个问题,黄三文团队先后解析了马铃薯单倍体、二倍体及四倍体基因组和泛基因组,打破了自交不亲和,初步解析了自交衰退的遗传基础,通过清除大效应有害突变,培育出第一代自交系材料及杂交种。

  尽管如此,马铃薯基因组中大量杂合有害突变、排斥相连锁产生的希尔—罗伯森干涉,会导致有害突变难以通过表型来发现,难以通过自交来淘汰;已培育的自交系仍有大量微效、中效有害突变,需要进一步剔除。为实现品种快速改良必须高效剔除有害突变,因此亟需一种准确鉴定并定量全基因组的有害突变的新技术。

  开发进化透镜,构建马铃薯有害突变二维图谱

  根据达尔文的进化论,如今地球上多种多样的物种是经历了亿万年的进化而形成的,在进化过程中物种的基因组并不是一成不变的。

  但是,一些具有重要功能的位点是不会改变的,它们会在进化过程中保留在不同物种中,研究人员称这一现象为进化约束,把这些位点称为进化保守位点。

  找到这些高度保守的位点是“优薯计划”的关键。为此,黄三文团队收集了大量茄科物种资源,完成了38个茄科基因组的组装,并利用大数据技术,将100个茄科物种的基因组进行比较,这些材料最长进化时间为8千万年,累计12亿年的进化时间。

马铃薯育种有了“火眼金睛”

  研究人员通过追踪这段进化历史的突变积累及选择结果,开发进化透镜,又称为“历史透镜”,即通过生物体的进化历史快速、有效地鉴定并定量进化保守位点。

  黄三文介绍,该团队利用该技术鉴定出1700万个高度保守的位点,其中36%位于先前被认为没有功能的非编码区域。这些位点在亿万年的进化过程中都很难发生改变,说明它们对马铃薯的生存是极为重要的。如果这些位点发生了突变,有可能对马铃薯造成繁殖力下降、生活力降低、产量减少等不良影响。

  研究人员利用这些保守位点信息,结合马铃薯群体的信息,构建了马铃薯有害突变二维图谱,将人们对马铃薯基因组的认知从一维的线的认识升级到二维的面的认识。有了图谱,马铃薯育种家就可以精确剔除马铃薯中有害突变,筛选好的育种材料,预测马铃薯产量等表型。

  “这项研究基于茄科植物进化基因组学,开发进化透镜技术,鉴定了马铃薯基因组上的有害突变,并将其应用到解决马铃薯育种难题中,大幅地提高马铃薯全基因组预测效率”,中国科学院院士钱前表示,这将实现杂交马铃薯育种的早期决策,加速育种进程,通过剔除有害变异和聚合有益变异的策略,有望在短期内通过基因组设计创建更多高产优质杂交马铃薯。

  反直觉选择,“不选壮苗选弱苗”

  根据进化透镜解析马铃薯的有害突变二维图谱,科学家们发现传统育种过程中,育种家使用生长更加健壮的马铃薯作为自交系的起始材料的做法可能会南辕北辙,可能会导致在选育过程中子代从父母本中获得更多有害突变反而不利于马铃薯的自交系构建。

  相反,生长较弱的马铃薯遗传给子代的有害突变更少,后期的自交育种成功率更大。这个结果不仅颠覆了以往的认知,而且还能够提早2—3年预测马铃薯的自交系育种结果,从而快速创建更多优良马铃薯自交系。

  不仅如此,研究人员利用该图谱还开发了一个新的预测模型,首次将有害突变信息整合进去,科学家可以利用它解读马铃薯的基因,只需要苗期的DNA,就可以提前预测马铃薯育种材料的产量、株高、薯块等性状。

  “相比缺少有害突变信息模型,预测准确度提高了45%;相比随机有害突变信息模型,预测准确度提高了25%”,黄三文表示,这将更好地帮助育种家制定早期育种决策,缩短马铃薯育种周期。

  中国科学院院士、崖州湾实验室主任李家洋在点评该成果时表示,反直觉选择法,可以避免选错材料,将会指导快速培育自交系。这一研究成果不仅对马铃薯,还将会对粮、油、果、蔬、茶都有重要的指导作用。

  “农业育种离不开大数据,离不开遗传学、基因组学的布局”,中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌认为,这一成果创新性地应用了整个茄科的比较基因组学与进化生物学来指导马铃薯育种,思路新颖,引领了世界马铃薯遗传育种研究,对我国种业技术创新具有重要意义。

  “该研究预示着作物育种进入一个新的时代,即育种家们不能仅仅关注自己的‘一亩三分地’,更需要从一个更大的进化维度思考育种的新策略。”中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康评价该成果时说。(光明网记者宋雅娟)

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 大陆海事部门在台湾海峡西侧水域开展联合巡航

  • 陕西清涧寨沟遗址

独家策划

推荐阅读
万兆元年,谁来领航?是更智慧AI,是更领先的Advance,是刷新极限的速度,还是升级多维的体验?中国移动5G-A商用发布会,重新定义数智新时代,邀您共同见证!3月28日15:00-16:00
2024-03-28 12:36
作为中国大科学装置之一,高能同步辐射光源是由中国科学院、北京市共建的怀柔科学城大科学装置集群的核心装置。
2024-03-28 09:54
2022年8月15日,国际天文学联合会小天体命名工作组发布公告,将国际永久编号为192353号的小行星命名为“王大中星”。围绕大学的根本任务是育才造士这一核心要义,王大中归纳并紧抓建设一流大学的三大要素:大师、大楼和大学精神。
2024-03-28 09:34
坎潘特强调,最新观测表明,精确的星震学技术可用于探测表面温度低至4200℃(比太阳表面低约1000℃)的矮星,为天体物理观测开辟了一个新领域。这一最新结果表明,星震学技术有望详细表征这些恒星及其宜居行星的细节,而精确确定附近冷矮星的年龄对于阐释系外行星上发现的生物特征可能至关重要。
2024-03-28 09:33
记者从自然资源部3月27日召开的例行新闻发布会上获悉:今年是极地考察40周年,自然资源部将开展一系列活动纪念这一重要时间节点。7月北极黄河站建站20周年时,在黄河站举办招待会、研讨会等相关活动,中国第四十一次南极考察期间将在长城站、中山站举行招待会、研讨会等相关活动,“雪龙”号、“雪龙2”号船停靠外港时举行公众开放日活动。
2024-03-28 09:32
联合国教科文组织执行局27日批准18处地质公园列入世界地质公园网络名录,其中包括中国的6个地质公园,分别是长白山世界地质公园、恩施大峡谷-腾龙洞世界地质公园、临夏世界地质公园、龙岩世界地质公园、武功山世界地质公园、兴义世界地质公园。
2024-03-28 09:31
据介绍,除了服务于中国探月工程四期,后续鹊桥二号中继星还可为国内外月球探测提供中继通信支持。
2024-03-28 09:25
涂白防虫、修剪树枝、引水灌溉……每当春天到来,在祖国西北边陲新疆托里县老风口,生态造林工作就紧锣密鼓地开始了。
2024-03-27 10:22
今年我国纪念“世界水日”“中国水周”的活动主题为“精打细算用好水资源,从严从细管好水资源”。
2024-03-27 10:21
在齐齐哈尔市甘南县宝山乡巨宏村,村民苑忠国正在准备春耕,多年来通过参与县里的培训,春耕物资的采购对他来说已是轻车熟路。
2024-03-27 10:20
在开展调查监测,评估新污染物环境风险状况方面,《行动方案》提出建立化学物质环境信息调查制度、建立新污染物环境调查监测制度、建立化学物质环境风险评估制度、动态发布重点管控新污染物清单等具体措施。
2024-03-27 10:18
一群“麦哲伦”式的实验物理学家正在高能物理的版图上开疆拓土。而玻色子的发现,正在指向新的“盛宴”。
2024-03-27 10:16
作为古生物学家,徐星是中国科学院院士、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员,同时也是云南大学教授,主要从事中生代陆相脊椎动物化石及地层学研究。
2024-03-27 10:15
近期,12P/Pons-Brooks彗星(以下简称12P彗星)成为全球瞩目的对象,我国不少天文爱好者成功观测并拍摄到这位“天外来客”。
2024-03-26 03:25
日前,中办、国办印发《关于加强生态环境分区管控的意见》(以下简称《意见》),明确提出到2025年,生态环境分区管控制度基本建立,全域覆盖、精准科学的生态环境分区管控体系初步形成。
2024-03-26 03:20
眼下正值春耕备耕的关键阶段,突如其来的天气变化,是否会对春耕、农作物造成影响?
2024-03-26 10:16
3月24日是世界防治结核病日。南开大学饶子和院士团队与上海科技大学免疫化学研究所张璐研究员团队合作,首次揭示了抗结核新靶标Rv3806c的冷冻电镜三维结构。
2024-03-26 10:16
25日,中国海油发布消息,我国在渤海超5000米的地层钻探发现一口高产油气井,测试日产油气当量近1400立方米,创造了我国海上深层油气探井日产最高纪录。
2024-03-26 10:15
“绝对安全”的通信是千百年来人类的梦想之一,从摩斯电码到电报、传真,从移动电话到网络通信,通信技术的发展同时带来了各类安全隐患,与通信安全相关的技术一直是科技界、产业界的重点攻关方向。
2024-03-25 10:47
记者从中国科学院近代物理研究所获悉,该所研制的中国超重元素研究加速器装置(CAFE2)取得重大突破,成功实现了14.8粒子微安流强、224兆电子伏能量的束流在靶稳定运行,创造了国际同类装置运行束流参数的最高流强纪录。
2024-03-25 10:07
加载更多