分类: 植物育种

土豆十讲-1. 杂交土豆的设想和实践

土豆的繁殖方式

一说起种庄稼,可能很多人想到的都是把种子撒到地里的场景,对于很多作物来说的确如此。这类依靠种子种植作物的授粉方式一般又分为两种,自交或者杂交。很多作物本来主要是依靠自交来繁殖的,比如小麦、水稻、玉米、番茄等等。但是,在实践过程中,为了方便育种,利用杂种优势,同时又为了保护育种者的利益,目前很多商品化的种子都是靠杂交得到的。

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除了这些靠种子繁殖的作物,还有很多作物是依靠营养器官繁殖,比如香蕉、苹果、很多花卉植物以及我们今天的主角土豆。这些依靠营养器官繁殖的植物有很多都是多倍体,基因组高度杂合,同时具有自交衰退的现象。如果像其他作物一样进行杂交,其后代通常会疯狂性状分离,不利于生产。而利用其营养器官繁殖可以得到性状稳定的后代。

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回到土豆,目前绝大多数栽培土豆品种都是四倍体,其基因组高度杂合。土豆这个器官本身其实长在地下的块状茎,可以储存很多能量,通过出芽得到无性繁殖的下一代植物。在生产上,传统上农民会留下一小部分收获的薯块作为种薯,用于下一季的生产,但是,这样得到的土豆在种植几代后就会出现退化的现象,其主要原因是在种植过程中会有很多病害,比如病毒在薯块里积累,导致产量逐年下降。

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所以,在现代化的生产中提倡使用脱毒种薯。这其实就是将土豆在无菌的实验室里进行组织培养,将幼苗顶部的茎尖组织用锋利、无菌的刀片切下来转入新的培养基,这样培育几代以后就可以得到无毒的「脱毒苗」。种薯公司就利用这些脱毒苗来生产脱毒的种薯,然后种薯就可以作为种子卖给农民用于生产了。

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安第斯山脉的各种倍性的土豆

尽管目前大部分栽培品种都是四倍体,但是在土豆的故乡,南美洲的安第斯山脉附近,很多不同倍性的土豆野生亲戚,从二倍体到六倍体,在当地都被用来作为食物。

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面临的问题

这一套依靠脱毒种薯的种植系统已经很成熟且广泛应用,但这导致了一系列问题:

1.    种薯不利于储存和运输

2.    育种的周期很长,同时从新品种到农民用来在田间播种的种薯需要更长时间

3.    育种者的权利无法保障

杂交土豆的构想

由于这些问题,育种者开始思考是否能像其他作物那样,育出基因组纯和的具有优良性状的亲本植物,然后通过生产杂交土豆种子。这个设想其实是有先例的,在甜菜的育种种就曾经经历过多杂合多倍体到纯和二倍体的转变。

但之前也提到过,一般栽培土豆是杂合四倍体,在不考虑自交衰退和自交不亲和的前提下,至少需要进行20轮自交才能获得基因组99%纯和的遗传背景。而那些二倍体土豆,很多都有自交不亲和的问题,要想解决这个问题,我们先来解释下什么是植物的自交不亲和系统。

植物自交不亲和系统

作为人类,大家都有这样的常识,近亲繁殖会使得一些遗传病的获得概率大大提高。所以大部分国家都会通过法律和道德来避免近亲结婚等问题。

而植物可不管这些,有很多植物都是可以通过自交繁殖的,比如自己的花粉落到自己的柱头上授粉。但是,自交就会导致遗传多样性的下降,在自然界,遗传多样性下降的直接后果就是对环境的是影响下降,所以植物也独立进化出了多种多样的自交不亲和系统。比如十字花科植物里的柱头上,有一种叫做SRK的受体激酶,它可以识别花粉上的一种小分子蛋白SCR/SP11, 如果识别到这是来自自己的花粉,就会阻止花粉萌发,而如果是来自其他植物的花粉则可以正常萌发(1, 2)。

S locus

而茄科植物里有着另一套系统,柱头上的细胞可以分泌一种RNA酶(S-RNase),从而组织花粉的萌发,这个系统很早前就被发现,但是真正拿到分子生物学的证据主要是靠着1993年的这两个实验:1. Lee和他的同事在矮牵牛(Petunia inflata)中把S-RNase沉默掉,发现矮牵牛从自交不亲和变成自交亲和了; 2. 另一个实验是来自于Murfet和他的同事,他们使用烟草作为模式之物,他们将两种本来自交亲和的烟草Nicotiana langsforfii和N. alata的S-RNase基因加入了一个强力的在柱头特异表达的启动子,然后这两种本来自交亲和的烟草就都变成自交不亲和了 (3,4)。

通过标记基因组学的方法,土豆中的S-locus被定位在1号染色体(5)

Sli基因的发现和定位

Sli基因是在1998年被Hosaka和Hanneman发现的。

一种叫做Solanum chacoense的野生土豆通常是自交不亲和的,但是他们找到了一个自交亲和的变种。

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这个自交亲和的Solanum Chacoense被和自交不亲和的二倍体栽培土豆S. phureja进行杂交,在F1的群体里,自交亲和和不亲和的后代出现了性状分离,这些遗传学的数据证明了一个单主效基因可以抑制自交不亲和,所以这个基因被称为Sli (S locus inhibitor)。通过利用这个Sli基因,就可以将土豆进行杂交,从而得到接近纯和的自交系。(6)

这个群体的表性鉴定方式是将每一个F1进行自交,以观察是否自交亲和,在观察的群体里,有66个体自交亲和,35个个体自交不亲和,偏离了标准的1:1,但研究者仍然认为这个性状是由单一主效基因所控制的。研究者利用28个RAPD和127个RFLP分子标记,将Sli基因定位到了12号染色体的末端。而土豆中的S位点位于1号染色体,所以这也证明了Sli基因是个独立于S位点的基因。(7)

 

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基于Sli基因的纯和二倍体自交土豆应用

尽管杂交土豆的设想在六十年前就曾被提出来过(8),但从实用角度还有很多问题需要解决,比如刚刚提到Hosaka和Hanneman定位到的Sli基因,利用这个基因进行反复的自交可以得到相对纯和的二倍体土豆,但是这些纯和的克隆无论是结薯的质量和产量,在商业实践上都几乎毫无用处。

但是Sli基因的发现,为杂交土豆项目带来了希望。

2011年,荷兰Solynta公司的科学家Pim Lindhout博士和Wageningen大学植物育种系的科学家一起发表了一篇论文,证明了基于Sli基因的杂交土豆在实践应用中是可行的。(9)

他们将携带Sli基因的二倍体土豆和带有优秀田间性状的二倍体土豆进行杂交得到F1代群体,在从中选出自交亲和(SC)的个体进行两轮自交得到了F3群体。通过表性鉴定,发现F3群体的一些个体,已经可以达到和亲本相似的产量。

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自此,基于Sli基因的纯和二倍体土豆的应用从实践上被证明是可行的,Solynta公司将这个技术申请了专利(EP2514303A1),也因此获得了Rabobank Innovation Prize, 并得到了欧盟的Horizon 2020 research and innovation programme的资助。Solynta公司开始基于这个突破开始改善和开发更好的纯和二倍体土豆材料。

杂交土豆商业化的潜力

杂交土豆是个非常有吸引力的设想,一旦成熟,在商业上会改变整个产业,而且它将给土豆育种和整个产业带来无限的可能性。如今,很多单位和公司都在朝着这个方向努力。

比如荷兰最大的种薯公司HZPC, 他们也开展了杂交土豆的研究并在官网发文「Are hybrid poato seeds the future?」(杂交土豆种子是否是未来的方向?)(10)。他们在文中讨论了杂交土豆的优势,但他们认为未来可能是杂交土豆种子和种薯并存且互补的,比如要在一些温度低且缺水的地方,种薯提供的营养能保证植物更好的生长。

荷兰的Bejo公司,通过15年的努力,在2017年刚刚推出了市面上第一款四倍体杂交土豆的种子,这个品种被成为Oliva F1,它是一款口感偏”粉”的餐用马铃薯,其形状是椭圆形。它的亲本尽管是四倍体,但是经过了反复的自交从而使其基因组基本纯和。 (11)

 

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还有玩家还包括德国的KWS公司 (12)

 

中国科学家也加入了杂交土豆的研究,曾经率先完成土豆单倍体基因组计划的农科院黄三文研究员也在进行马铃薯”二倍体杂交育种-种子繁殖”的研究(13)。

参考资料:
1.    Murase, K., Shiba, H., Iwano, M., Che, F.-S., Watanabe, M., Isogai, A. and Takayama, S. (2004) A Membrane-Anchored Protein Kinase Involved in Brassica Self-Incompatibility Signaling. Science, 303, 1516–1519.

2.    Shiba, H., Takayama, S., Iwano, M., et al. (2001) A pollen coat protein, SP11/SCR, determines the pollen S-specificity in the self-incompatibility of Brassica species. PLANT PHYSIOLOGY, 125, 2095–2103.

3.    Lee, H.S., Huang, S. and Kao, T. (1994) S proteins control rejection of incompatible pollen in Petunia inflata. Nature, 367, 560–563.

4.    Murfett, J., Atherton, T.L., Mou, B., Gassert, C.S. and McClure, B.A. (1994) S-RNase expressed in transgenic Nicotiana causes S-allele-specific pollen rejection. Nature, 367, 563.

5.    Gebhardt, C., Ritter, E., Barone, A., et al. (1991) RFLP maps of potato and their alignment with the homoeologous tomato genome. Theor Appl Genet, 83, 49–57.

6.    Hosaka, K. and Hanneman, R.E. (1998) Genetics of self-compatibility in a self-incompatible wild diploid potato species Solanum chacoense. 1. Detection of an S locus inhibitor (Sli) gene. Euphytica, 99, 191–197.

7.    Hosaka, K. and Hanneman, R.E. (1998) Genetics of self-compatibility in a self-incompatible wild diploid potato species Solanum chacoense. 2. Localization of an S locus inhibitor (Sli) gene on the potato genome using DNA markers. Euphytica, 103, 265–271.

8.    Hawkes, J.G. (1957) Potato breeding in Russia — July, 1956. Euphytica, 6, 38–44.

9.    Lindhout, P., Meijer, D., Schotte, T., Hutten, R.C.B., Visser, R.G.F. and Van Eck, H.J. Towards F1 Hybrid Seed Potato Breeding. Potato Res., 54, 301–312.

10. Are hybrid potato seeds the future?

http://en.inzpire.hzpc.com/issue-05-september-2015/are-hybrid-potato-seeds-the-future

11.    http://www.bejo.com/magazine/bejo-introduces-its-first-true-potato-seed-variety

12.    KWS to fully focus on hybrid potato breeding and divest its conventional seed potato business

https://www.kws.com/aw/Products/Potatoes/KWS-to-fully-focus-on-hybrid-potato-bree/~hjqx/

13.    云南“洋芋”革命 土豆身后的主粮“大身份”http://yn.yunnan.cn/html/2016-10/12/content_4571201.htm