2025-08-21 09:21:26
類(lèi)馬鈴薯（左）與馬鈴薯組（右）植株的表型。
雜交事件驅(qū)動(dòng)馬鈴薯的薯塊形成與演化。本文圖片均由中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因研究所提供
餐桌上，馬鈴薯似乎只是再平常不過(guò)的一道食材。然而，在科學(xué)家眼中，馬鈴薯的來(lái)歷是一段跨越千萬(wàn)年的故事。日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所首次揭示了馬鈴薯組的雜交起源、薯塊形成和輻射分化。
研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯組起源于900萬(wàn)年前番茄組和類(lèi)馬鈴薯組的一次古雜交事件，雜交產(chǎn)生了新器官（薯塊）。該研究是“優(yōu)薯計(jì)劃”的又一重大突破，為馬鈴薯遺傳育種提供了全新的理論視角。
突破馬鈴薯育種難題
“馬鈴薯是全球13億人的主食之一，也是重要的無(wú)性繁殖作物?！敝袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員黃三文介紹。作為無(wú)性繁殖的代表作物，馬鈴薯?yè)碛懈叨入s合的基因組和自交不親和的特性，這讓它在育種過(guò)程中常常陷入困境：遺傳分析復(fù)雜，難以突破新品種選育。
團(tuán)隊(duì)早在前期研究中，就培育出了第一代高純合度馬鈴薯自交系和雜交品系“優(yōu)薯1號(hào)”，一定程度上緩解了育種的難題。然而，他們發(fā)現(xiàn)，真正阻擋在面前的，還有另一個(gè)未解之謎——馬鈴薯的物種起源。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界普遍認(rèn)為現(xiàn)代栽培馬鈴薯源自南美安第斯山脈或智利的野生馬鈴薯，這些野生種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期馴化和雜交形成了今天的品種。但“野生馬鈴薯的祖先是誰(shuí)”一直沒(méi)有答案。形態(tài)學(xué)的線(xiàn)索一度讓科學(xué)家認(rèn)為，與馬鈴薯長(zhǎng)相極為相似的“類(lèi)馬鈴薯”是它的直接祖先。然而，分子進(jìn)化學(xué)的證據(jù)卻拋出一個(gè)反直覺(jué)的結(jié)論：馬鈴薯和番茄之間的親緣關(guān)系更近。
研究團(tuán)隊(duì)決定，重新審視馬鈴薯組（栽培與野生馬鈴薯）、番茄組和類(lèi)馬鈴薯組三者之間的進(jìn)化關(guān)系。他們系統(tǒng)分析了來(lái)自101份馬鈴薯組、15份番茄組、9份類(lèi)馬鈴薯組，以及19份其他茄科物種的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)。其中大部分基因組數(shù)據(jù)已經(jīng)存在，這項(xiàng)研究對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了再利用。
答案在進(jìn)化基因組學(xué)和分子生物學(xué)的交叉中浮現(xiàn)：900萬(wàn)年前，一次發(fā)生在番茄組與類(lèi)馬鈴薯組之間的遠(yuǎn)古雜交，誕生了馬鈴薯組。按照質(zhì)體基因組的親緣關(guān)系，番茄為母本，類(lèi)馬鈴薯為父本。這是一場(chǎng)跨屬的“基因聯(lián)姻”，而且結(jié)下了一個(gè)演化史上罕見(jiàn)的果實(shí)——新器官“薯塊”。
“薯塊”帶來(lái)生存優(yōu)勢(shì)
基于此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步追溯了馬鈴薯關(guān)鍵薯塊形成基因的起源。
“薯塊的身份基因IT1來(lái)自類(lèi)馬鈴薯組，而結(jié)薯所需的移動(dòng)信號(hào)因子SP6A則來(lái)自番茄組?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員、論文第一作者張智洋解釋道，“我們還在基因組中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)此前未被注意的與薯塊功能相關(guān)的重要基因——DRN和CLF。這些來(lái)自雙親的等位基因重新組合，構(gòu)建起一個(gè)全新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)了薯塊的出現(xiàn)?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今馬鈴薯組內(nèi)部物種仍約有24%的遺傳組分隨機(jī)固定了不同親本的等位基因，呈現(xiàn)出親本鑲嵌的“馬賽克式”模式。即，不同個(gè)體攜帶不同親本的遺傳信息，就像一幅由不同顏色小瓷磚拼成的馬賽克畫(huà)一樣，導(dǎo)致表型呈現(xiàn)不均一性。
這種馬賽克式的遺傳組合帶來(lái)的結(jié)果是驚人的：它極大提升了后代的遺傳多樣性，讓它們擁有適應(yīng)多種環(huán)境的能力。在生態(tài)學(xué)上，這意味著新生的馬鈴薯群體能夠迅速占據(jù)新的生態(tài)位，并在與親本逐漸形成生殖隔離的同時(shí)，展現(xiàn)出超強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)與適應(yīng)性。
薯塊的形成也給馬鈴薯帶來(lái)了地下生存優(yōu)勢(shì)。薯塊不僅能夠儲(chǔ)存水分和淀粉，幫助馬鈴薯度過(guò)干旱、寒冷季節(jié)，更賦予了馬鈴薯無(wú)需種子或授粉即可繁殖的能力，通過(guò)薯塊上的芽直接萌發(fā)新植株。
從考古化石到未來(lái)種子
破解900萬(wàn)年前的故事，科學(xué)家們用的是一種被稱(chēng)為“分子鐘”的技術(shù)。它的原理類(lèi)似于通過(guò)基因“進(jìn)化沙漏”計(jì)時(shí)：DNA會(huì)以相對(duì)穩(wěn)定的速率積累突變，通過(guò)比較不同物種的DNA差異，并結(jié)合化石年代數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，就能推算出它們分化的時(shí)間。團(tuán)隊(duì)選取了距今約5200萬(wàn)年的茄科化石作為校準(zhǔn)點(diǎn)，最終確認(rèn)馬鈴薯的雜交起源時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
然而，團(tuán)隊(duì)并不滿(mǎn)足于停留在“揭示過(guò)去”。他們已經(jīng)將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為面向未來(lái)的育種新思路。
目前，馬鈴薯的種植運(yùn)輸、儲(chǔ)存成本高且易帶病蟲(chóng)害。團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，是將馬鈴薯從無(wú)性繁殖的塊莖作物變革為種子繁殖作物——每畝只需2克種子。這不僅能降低種植成本，還能顯著減少病害傳播風(fēng)險(xiǎn)。
“由于番茄是自交的有性繁殖作物，幾乎沒(méi)有有害突變?！秉S三文表示，這次起源研究提供了一個(gè)大膽的設(shè)想：以番茄作為合成生物學(xué)的“底盤(pán)”，導(dǎo)入薯塊形成所需的關(guān)鍵基因，讓番茄在地下長(zhǎng)出馬鈴薯。這意味著，未來(lái)或許會(huì)出現(xiàn)一種全新的“種子型馬鈴薯”，既繼承番茄的繁殖優(yōu)勢(shì)，又保有馬鈴薯的食用價(jià)值。
對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)仍在繼續(xù)。他們需要在基因組選擇的過(guò)程中淘汰更多的有害突變，以確保新型馬鈴薯的穩(wěn)定性和產(chǎn)量。
“在演化史上，雜交常被視為基因流動(dòng)的‘邊緣事件’。”黃三文總結(jié)，“但這次研究告訴我們，它也可以是物種創(chuàng)新的核心驅(qū)動(dòng)力。”
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的支持。研究首次揭示了馬鈴薯起源于番茄與類(lèi)馬鈴薯祖先種之間的一次古老雜交事件，并導(dǎo)致新器官薯塊的產(chǎn)生，加速馬鈴薯物種爆發(fā)式的輻射分化。
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