历时近10年，中国科学家攻克马铃薯杂交难题

6月的云南，马铃薯刚收了一季，新的一季已经开始种了。

这是尚轶到云南的第7年，7年前，他举家从北京迁到云南，和众同事一起，开启了一场马铃薯杂交的艰苦攻关。

马铃薯，又叫土豆、洋芋，是人类食物大家族中的“新成员”，400多年前的大航海中，西班牙人在南美洲的安第斯山脉中，首次发现了马铃薯，并将它带到全球。

400多年中，这个生长在地下的“土豆”，走遍全球，已经成为了人类消费量第三的食物，仅次于水稻和小麦。

然而，和小麦、水稻相比，这个消费量第三的大宗作物，一直没有攻克杂交的难题，许多主栽的品种，还是几十年前乃至100多年前育成的。

云南是马铃薯育种的天选之地，这里气候复杂，一年四季都可以种植。

在田间，尚轶所在的黄三文院士团队，每年都要种植几十万株马铃薯，寻找一株特殊的马铃薯。回到实验室，他们又深入马铃薯的基因之中，穿越亿万年历史，重新找回人类驯化中丢失的能力。

全营养作物，一度消失的能力

马铃薯是全营养作物，它含有人类所需的绝大部分营养元素，这意味着，在某些特定情况下，仅吃马铃薯，就能够维系人基本的生存。

马铃薯还是最容易种植的作物之一，具有耐旱、耐寒、耐贫瘠等多种能力，可以在最贫瘠的土地上种植，只要有一点儿雨水，就能够存活，生产出供人们饱腹的食物。

因此，当它走出南美洲的大山，走向世界的时候，许许多多的地方因它而改变，400多年后，全球已经有13亿人以马铃薯为主食。

“和其他粮食作物相比，马铃薯兼具粮用、菜用、饲用等多重功能，因此也被开发出更加复杂的产业链条，在欧美国家，马铃薯产业发达，产品多样，在历史上，不少地方甚至只种植马铃薯。”

马铃薯以块茎繁殖，这是一种无性繁殖的方式，在培育中，人们发现，这种方式更容易获得品质一致的产品，因为每一个，理论上都是上一个的克隆体。其实，马铃薯的种子也可以繁殖，但原始的种子，繁殖的后代会出现性状分离，可能会结出千奇百怪的马铃薯，不具备商业化的条件。

“块茎繁殖更稳定、一致性更好，当育种家们发现品质更好的马铃薯时，它的克隆体就会快速传遍全球。然而，这也埋下了隐患，对马铃薯来说，在全球传播中，失去的不仅是种子繁衍的能力，也失去了多样性，变得更加脆弱。”尚轶说。

如果全世界只种一种马铃薯，会出现怎样的情况呢？1845年至1850年，位于欧洲的爱尔兰，曾经暴发严重的马铃薯晚疫病，难以遏制，而当地几乎全部种植马铃薯，这导致了严重饥荒，5年间，爱尔兰人口减少了四分之一，有数据显示，百万人在这场饥荒中饿死。

品种迭代中，马铃薯进展缓慢

进入现代，农业科技发生了革命性的变化，杂交育种等技术，使得品种的更新和迭代越来越快，比如小麦，在经历了绿色革命之后，产量快速上升，从亩产100多公斤，到如今，高产纪录超过七八百公斤，几乎每两三年，其品种就会更新一次，玉米、水稻等也是如此。

然而，马铃薯品种的更新似乎停滞了。当前全球的主栽品种中，许多还是几十年前育成的，其中一种主要用来做薯条的马铃薯，甚至是120年前育成的。

120年中，马铃薯的产量、品质当然会提高，但遗传育种的贡献并不大，更多来自于灌溉、肥料、病虫害防治等各种因素的进步。

块茎繁殖的模式，还带来了许多问题，比如种植成本更高，一颗马铃薯，切块后种植，一般只能收获10多个马铃薯，繁殖系数很低，只有1：10左右，而一粒小麦，可以繁殖出数百粒小麦。块茎的保存、运输成本也更高，这也使得农民种植马铃薯的收益变低。

“更重要的是，块茎繁殖的模式，使得马铃薯容易积累对生长不利的‘病毒’，这些藏在块茎中的‘病毒’对人无害，但却会严重影响马铃薯的生长。当前普遍采取的方式，是生产脱毒种薯，即用马铃薯茎尖培育新的马铃薯，尽可能减少病毒的积累，不过，这也意味着更高的生产成本，”黄三文说，“几十年来，全球科学家都在想办法攻克马铃薯杂交的难题，但效果并不明显。”

杂交马铃薯，开启一场新变革

能不能像小麦、水稻一样，把马铃薯变成种子繁殖？并且利用杂交育种的技术，获得杂种优势，降低成本，提高产量呢？

2015年，中国科学院院士黄三文和他的团队开启了这场马铃薯杂交育种的科技攻关，尚轶也是其中一员。

马铃薯是四倍体，这意味着，马铃薯中有四套基因组，排列组合的可能性更多，杂交选育的难度也更大。尚轶告诉记者，要想实现杂交，首先要有一个高纯度的自交系，但马铃薯存在自交不亲和、自交衰退两大特性。

如果能够揭开马铃薯杂交的难题，无疑是数百年栽培史中最重要的变革之一。

对团队来说，现代生物学技术，给他们带来了新的工具，团队利用最新的基因组技术和工具，拼接了马铃薯双单倍体、二倍体和四倍体及泛基因组，并彻底打破自交不亲和的问题，使二倍体马铃薯可以自交，产生成熟的后代。初步解析了自交衰退的遗传基础，通过剔除极大效应有害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种。

解析自交不亲和这个过程，用了4年。尚轶介绍，在过去，科学家们猜想，自交不亲和之所以难以解决，是因为控制自交不亲和的基因，和另外一个致死的基因连锁在一起，如果敲除了影响自交亲和的基因，就会产生连锁反应，导致马铃薯死亡。但经过基因鉴定，他们发现，以前的猜想并不准确。也正是这一发现，使得克隆自交不亲和基因成为可能。

解决了自交不亲和问题，接着需要解决的是马铃薯自交衰退的问题。自交衰退普遍存在于自然界，“就好像近亲结婚，后代会出现各种各样的问题，且一代比一代严重，”尚轶说，“在过去，育种家们通过选择那些长势较好的后代继续育种，而新的技术，可以让我们在大样本中种植和选择，鉴定出控制衰退的基因，找到解决自交衰退的方法。”

穿约亿万年，寻找丢失的基因

自交衰退的原因，主要是作物基因组中对作物有害的突变引起的。而要解决自交衰退的问题，就要知道有哪些有害突变，它们在哪里？有害程度有多高？又是怎样出现有害作用的？

利于现代技术，团队科学家在前期鉴定出了一批有害突变，并在育种时剔除，这并不算特别难，难处在于，许多有害突变的效应并不明显，甚至是“隐形”的，如何才能真正找到控制有害突变的因素，从根本上解决有害突变的问题，才是这场攻关中的真正难题。

为了找到有害突变的根源，团队设计了一个新的计划，利用进化基因组学技术，穿越历史，在漫长的历史长河中，寻找突变的源头和脉络，从而找到解决的办法。

马铃薯是典型的茄科植物，和西红柿、茄子、辣椒等同科，事实上，马铃薯的果实，就像一个微型的西红柿。

那么，这些同属茄科的植物中，是否在漫长的演化中，也有过类似的经历呢？或者它们之间的不同，又是怎样产生的呢？此外，和马铃薯很像的红薯，尽管不是茄科，但它所属的旋花科，和茄科同属于管状花目，它们之间又有怎样的关系呢？

在计划中，团队收集了100份茄科和旋花科的材料，利用基因组测序技术，绘制了每一种材料的进化树，其中最长的相当于进化了八千万年，100份材料总进化时间为十二亿年。

漫长历史中，生物的进化看似难以理解，但实际上，秘密都藏在基因中，基因记录了每一次变化的过程和结果，因此，透过漫长的历史，就可以清晰地照见曾经发生过的一切，黄三文称之为“历史透镜”。

如何用这面“历史透镜”观察马铃薯的演化史呢？团队科学家们选择了一个特殊的角度去观察，即基因位点的保守性，简单说，就是寻找那些亿万年没有变过的基因位点，这些没有变的位点，无疑有着各种不可或缺的功能，如果它们发生突变，往往会对作物本身产生巨大的不利影响。也就是说，那些本来不该变的基因发生了变异，往往就意味着疾病、退化甚至死亡等不利的结果。

“由此，我们构建了一个新的图谱，即有害突变的二维图谱，二维，是指基因本身的信息和保守值两个维度。” 黄三文介绍。

在彩云之南，种下无数株马铃薯

育种需要合适的环境，在北方，马铃薯一般一年只种一季，最多两季，而杂交育种本身，需要一代又一代地不断选择，因此，科学家们会选择合适的环境，去加代种植，在水稻、玉米等育种中，位于热带的海南，成为育种家们选择加代种植的地方，当地的环境，可以让水稻等作物每年多种一代，这也意味着多了一代选择的时间。

最适合马铃薯加代种植的，则是云南，云南气候复杂，从热带气候到温带气候都有，可以实现一年四季种植马铃薯。

2017年，尚轶带着全家人，从北京出发，一路南下，在云南定居，开启了马铃薯育种的实验，他们与云南各州市农科院建立了友好合作关系，利用他们的众多实验基地保障一年中任何时候，都有马铃薯在地里生长，这也是短短几年中，马铃薯杂交育种技术得以突破的重要因素。

从北京到云南，改变是全方位的，家人的工作，孩子的学业等，都经历着天翻地覆的变化，而同样常住云南的尚轶，没有太多时间照顾家里。

遍布云南的实验基地中，常年种植着数十万株马铃薯。要在这么大规模的样本中，选择合适育种的材料，不仅需要艰辛的田间劳作，还需要卓越的策略，以及一点儿运气。

事实上，通过生物学技术的辅助，团队选择了一个反直觉的策略，即选择那些看起来较弱的材料，而不是像常规的杂交育种一样，选择更强壮的材料。

团队的科学家们发现，更壮的植株，携带的有害变化就更多，传给后代的有害变化也就更多，而弱一点儿的，反而携带的有害变化少，传给后代的也少，这样的选择，依赖于现代技术的辅助和指导，仅凭经验和感觉，是不可能作出这样的选择的。

对研究团队来说，新的育种技术下，实验室的工作和田间的工作，几乎同样繁重，通过长时间大样本的筛选，以及对马铃薯基因的深入鉴定，团队找到了37万个有害突变，这些有害突变，只有三分之一是以前就知道的，三分之二是新发现的。

从一粒种子，到一个世界

当自交不亲和、自交衰退被解决后，马铃薯杂交最大的难关也就被攻克了。

2021年，利用杂交技术，一个概念性品种育成了，团队将它命名为“优薯1号”，这是一种黄心土豆，胡萝卜素含量极高，品质很高，亩产大约为常规品种的50%到80%。

之所以成为概念性品种，是因为它代表了马铃薯杂交技术路径的真正实现，尚轶介绍，“这个品种的育成，证明了我们的技术路线是有效的，马铃薯杂交是可以实现的。所以叫概念性品种。”

杂交马铃薯的成功，意味着未来的马铃薯种植中，不再需要依靠块茎种植，而是可以像小麦、水稻一样，用种子种植。

马铃薯种子非常小，种1亩地，只需要3-5克种子，而用块茎种植，则需要数百斤，成本的大幅度降低将是可预期的，而这个未来，可能并不遥远。

“杂交水稻改变了世界，我们借助现代技术，用了近10年时间，攻克了马铃薯杂交这个难题，也希望能更快将新技术变成真正的产品，为未来人类的食物和营养，提供新的帮助，也让世界上无数以种植马铃薯为生的农民，能够多一分收获。”尚轶说。

如今，尚轶已经在云南定居7年，马铃薯的育种攻关依然在进行，“优薯1号”是一次突破性的成果，但距离产业化、市场化还有距离，更多的工作还等着黄三文院士团队所有的研究人员。

“马铃薯是全营养作物，营养丰富，足以提供人体所需的营养，但在我国，加工产业起步较晚，有非常大的发展空间，而随着马铃薯杂交技术的攻克，未来必然会有更大的市场，进行马铃薯全产业链相关技术的研发，已经是必须要做的事情了。”尚轶说。