中國團隊找到一把“萬能鑰匙”：克服馬鈴薯自交不親和難題

原標題：中國團隊找到一把“萬能鑰匙”：克服馬鈴薯自交不親和難題

中國農業科學院深圳農業基因組研究所（下稱“基因組所”）黃三文研究員等人發起的“優薯計劃”再次獲得新進展。7月6日，國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）線上發表了雲南師範大學尚軼、李燦輝團隊和黃三文團隊合作研究的一項研究，題為“A non S-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes”，報道了馬鈴薯自交親和基因Sli （S-locus inhibitor）的克隆及功能解析。

100多年來，馬鈴薯基礎研究與產業發展主要圍繞“四倍體育種-塊莖繁殖”體系開展。生產上常用的四倍體栽培種存在遺傳背景狹窄、染色體高度雜合、自交衰退嚴重、雜交後代分離情況複雜等弊端，造成常規四倍體育種難度大、週期長。

而二倍體馬鈴薯種質資源豐富，遺傳分析相對簡單。水稻、玉米等二倍體作物中成熟的育種理論和工具可直接應用於二倍體馬鈴薯育種。因此，利用變異豐富的遺傳材料構建“二倍體雜交育種-種子繁殖”體系是馬鈴薯育種新的發展趨勢，被譽為馬鈴薯科研“皇冠上的明珠”。

然而，要摘得這顆明珠並不容易。絕大多數二倍體馬鈴薯自交不親和，因此構建“二倍體雜交育種-種子繁殖”體系亟需解決二倍體材料自交不親和的問題。

研究團隊提到，馬鈴薯的自交不親和是由高多型性的S位點控制的。S位點主要包括兩個緊密連鎖的基因，花柱特異表達的S-RNase基因和花粉特異表達的SLF（S-locus F-box）基因。

S-RNase蛋白具有核酸酶活性，在花粉管伸長階段，高濃度的S-RNase蛋白從柱頭進入到花粉管中，特異性降解自身花粉管的rRNA，抑制花粉管的進一步伸長，達到排斥自身花粉的目的。花粉中的SLF蛋白，則能與ASK1和CULLIN蛋白結合，組成E3泛素複合體，介導異己S-RNase的降解，導致雜交親和。但是SLF不能介導自身S-RNase的降解，S-RNase繼續發揮“細胞毒素”的作用，抑制自身花粉管的伸長，從而導致自交不親和。

研究團隊將S-RNase基因和SLF基因比作“鎖”和“鑰匙”的關係。他們認為，要克服自交不親和，可以直接破壞掉鎖，或者找一把“萬能鑰匙”可以開啟所有型別的鎖。

在前期研究中，黃三文團隊利用基因組編輯技術敲除S-RNase基因和篩選S-RNase自然突變體的方式獲得了自交親和的材料，相當於“破壞了鎖”。在此次最新的研究中，該團隊則找到了一把“萬能鑰匙”Sli基因。

值得一提的是，早在1998年，日本和美國的科學家即首次報道了Sli基因，但該基因一直未被克隆，原因之一是該性狀表型評價很難。黃三文團隊透過基因組學分析發現，在自交過程中僅含有Sli基因的花粉才能完成雙受精，所以自交群體會出現配子體型偏分離，並巧妙的利用這個遺傳現象在不進行表型評價的前提下完成了Sli基因的克隆。

該基因編碼一類在花粉中特異表達的F-box蛋白，與傳統SLF蛋白僅能與1-2種類型的S-RNase蛋白相互作用不同，Sli可與10多種型別的S-RNase相互作用，從而介導廣泛的自交親和。

值得一提的是，《自然-通訊》此次以“背靠背”（back to back）的方式報道了荷蘭馬鈴薯育種公司Solynta與瓦赫寧根大學Christian Bachem團隊合作從一份野生自交親和馬鈴薯材料（Solanum chacoense Bitt．）中克隆Sli基因的工作，進一步顯示了該基因對於馬鈴薯基礎研究和遺傳改良的重要意義。

另外，就在半個月前的6月24日，頂級學術期刊《細胞》（Cell）線上發表了黃三文等人完成的一項研究，題為“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設計）”。該論文報道了研究團隊在雜交馬鈴薯育種領域的研究成果，這是“優薯計劃”實施以來取得的里程碑式突破。

基因組所研究員張春芝當時對澎湃新聞（www。thepaper。cn）記者在內的媒體介紹道，團隊已經培育出了第一代高純合度（>99%）二倍體馬鈴薯自交系和雜交馬鈴薯品系“優薯1號”。小區試驗顯示，“優薯1號”的產量接近3噸/畝，具有顯著的產量雜種優勢。同時，“優薯1號”具有高幹物質含量和高類胡蘿蔔素含量的特點，蒸煮品質佳。

去年的11月8日，“優薯計劃”團隊還得到了袁隆平院士的指導。袁隆平院士當時對馬鈴薯雜交種子繁殖技術給予了高度評價，認為用雜交種子替代薯塊繁殖，可有效解決馬鈴薯重大產業難題。袁隆平院士還專門為“優薯計劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術是顛覆性創新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

論文連結：https：//www。nature。com/articles/s41467-021-24266-7