6月的云南，馬鈴薯剛收了一季，新的一季已經(jīng)開(kāi)始種了。
這是尚軼到云南的第7年，7年前，他舉家從北京遷到云南，和眾同事一起，開(kāi)啟了一場(chǎng)馬鈴薯雜交的艱苦攻關(guān)。
馬鈴薯，又叫土豆、洋芋，是人類食物大家族中的“新成員”，400多年前的大航海中，西班牙人在南美洲的安第斯山脈中，首次發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯，并將它帶到全球。
400多年中，這個(gè)生長(zhǎng)在地下的“土豆”，走遍全球，已經(jīng)成為了人類消費(fèi)量第三的食物，僅次于水稻和小麥。
然而，和小麥、水稻相比，這個(gè)消費(fèi)量第三的大宗作物，一直沒(méi)有攻克雜交的難題，許多主栽的品種，還是幾十年前乃至100多年前育成的。
云南是馬鈴薯育種的天選之地，這里氣候復(fù)雜，一年四季都可以種植。
在田間，尚軼所在的黃三文院士團(tuán)隊(duì)，每年都要種植幾十萬(wàn)株馬鈴薯，尋找一株特殊的馬鈴薯?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他們又深入馬鈴薯的基因之中，穿越億萬(wàn)年歷史，重新找回人類馴化中丟失的能力。
全營(yíng)養(yǎng)作物，一度消失的能力
馬鈴薯是全營(yíng)養(yǎng)作物，它含有人類所需的絕大部分營(yíng)養(yǎng)元素，這意味著，在某些特定情況下，僅吃馬鈴薯，就能夠維系人基本的生存。
馬鈴薯還是最容易種植的作物之一，具有耐旱、耐寒、耐貧瘠等多種能力，可以在最貧瘠的土地上種植，只要有一點(diǎn)兒雨水，就能夠存活，生產(chǎn)出供人們飽腹的食物。
因此，當(dāng)它走出南美洲的大山，走向世界的時(shí)候，許許多多的地方因它而改變，400多年后，全球已經(jīng)有13億人以馬鈴薯為主食。
“和其他糧食作物相比，馬鈴薯兼具糧用、菜用、飼用等多重功能，因此也被開(kāi)發(fā)出更加復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈條，在歐美國(guó)家，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，產(chǎn)品多樣，在歷史上，不少地方甚至只種植馬鈴薯?！?br />
馬鈴薯以塊莖繁殖，這是一種無(wú)性繁殖的方式，在培育中，人們發(fā)現(xiàn)，這種方式更容易獲得品質(zhì)一致的產(chǎn)品，因?yàn)槊恳粋€(gè)，理論上都是上一個(gè)的克隆體。其實(shí)，馬鈴薯的種子也可以繁殖，但原始的種子，繁殖的后代會(huì)出現(xiàn)性狀分離，可能會(huì)結(jié)出千奇百怪的馬鈴薯，不具備商業(yè)化的條件。
“塊莖繁殖更穩(wěn)定、一致性更好，當(dāng)育種家們發(fā)現(xiàn)品質(zhì)更好的馬鈴薯時(shí)，它的克隆體就會(huì)快速傳遍全球。然而，這也埋下了隱患，對(duì)馬鈴薯來(lái)說(shuō)，在全球傳播中，失去的不僅是種子繁衍的能力，也失去了多樣性，變得更加脆弱?！鄙休W說(shuō)。
如果全世界只種一種馬鈴薯，會(huì)出現(xiàn)怎樣的情況呢？1845年至1850年，位于歐洲的愛(ài)爾蘭，曾經(jīng)暴發(fā)嚴(yán)重的馬鈴薯晚疫病，難以遏制，而當(dāng)?shù)貛缀跞糠N植馬鈴薯，這導(dǎo)致了嚴(yán)重饑荒，5年間，愛(ài)爾蘭人口減少了四分之一，有數(shù)據(jù)顯示，百萬(wàn)人在這場(chǎng)饑荒中餓死。
品種迭代中，馬鈴薯進(jìn)展緩慢
進(jìn)入現(xiàn)代，農(nóng)業(yè)科技發(fā)生了革命性的變化，雜交育種等技術(shù)，使得品種的更新和迭代越來(lái)越快，比如小麥，在經(jīng)歷了綠色革命之后，產(chǎn)量快速上升，從畝產(chǎn)100多公斤，到如今，高產(chǎn)紀(jì)錄超過(guò)七八百公斤，幾乎每?jī)扇?，其品種就會(huì)更新一次，玉米、水稻等也是如此。
然而，馬鈴薯品種的更新似乎停滯了。當(dāng)前全球的主栽品種中，許多還是幾十年前育成的，其中一種主要用來(lái)做薯?xiàng)l的馬鈴薯，甚至是120年前育成的。
120年中，馬鈴薯的產(chǎn)量、品質(zhì)當(dāng)然會(huì)提高，但遺傳育種的貢獻(xiàn)并不大，更多來(lái)自于灌溉、肥料、病蟲(chóng)害防治等各種因素的進(jìn)步。
塊莖繁殖的模式，還帶來(lái)了許多問(wèn)題，比如種植成本更高，一顆馬鈴薯，切塊后種植，一般只能收獲10多個(gè)馬鈴薯，繁殖系數(shù)很低，只有1：10左右，而一粒小麥，可以繁殖出數(shù)百粒小麥。塊莖的保存、運(yùn)輸成本也更高，這也使得農(nóng)民種植馬鈴薯的收益變低。
“更重要的是，塊莖繁殖的模式，使得馬鈴薯容易積累對(duì)生長(zhǎng)不利的‘病毒’，這些藏在塊莖中的‘病毒’對(duì)人無(wú)害，但卻會(huì)嚴(yán)重影響馬鈴薯的生長(zhǎng)。當(dāng)前普遍采取的方式，是生產(chǎn)脫毒種薯，即用馬鈴薯莖尖培育新的馬鈴薯，盡可能減少病毒的積累，不過(guò)，這也意味著更高的生產(chǎn)成本，”黃三文說(shuō)，“幾十年來(lái)，全球科學(xué)家都在想辦法攻克馬鈴薯雜交的難題，但效果并不明顯。”
雜交馬鈴薯，開(kāi)啟一場(chǎng)新變革
能不能像小麥、水稻一樣，把馬鈴薯變成種子繁殖？并且利用雜交育種的技術(shù)，獲得雜種優(yōu)勢(shì)，降低成本，提高產(chǎn)量呢？
2015年，中國(guó)科學(xué)院院士黃三文和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了這場(chǎng)馬鈴薯雜交育種的科技攻關(guān)，尚軼也是其中一員。
馬鈴薯是四倍體，這意味著，馬鈴薯中有四套基因組，排列組合的可能性更多，雜交選育的難度也更大。尚軼告訴記者，要想實(shí)現(xiàn)雜交，首先要有一個(gè)高純度的自交系，但馬鈴薯存在自交不親和、自交衰退兩大特性。
如果能夠揭開(kāi)馬鈴薯雜交的難題，無(wú)疑是數(shù)百年栽培史中最重要的變革之一。
對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，給他們帶來(lái)了新的工具，團(tuán)隊(duì)利用最新的基因組技術(shù)和工具，拼接了馬鈴薯雙單倍體、二倍體和四倍體及泛基因組，并徹底打破自交不親和的問(wèn)題，使二倍體馬鈴薯可以自交，產(chǎn)生成熟的后代。初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)，通過(guò)剔除極大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種。
解析自交不親和這個(gè)過(guò)程，用了4年。尚軼介紹，在過(guò)去，科學(xué)家們猜想，自交不親和之所以難以解決，是因?yàn)榭刂谱越徊挥H和的基因，和另外一個(gè)致死的基因連鎖在一起，如果敲除了影響自交親和的基因，就會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致馬鈴薯死亡。但經(jīng)過(guò)基因鑒定，他們發(fā)現(xiàn)，以前的猜想并不準(zhǔn)確。也正是這一發(fā)現(xiàn)，使得克隆自交不親和基因成為可能。
解決了自交不親和問(wèn)題，接著需要解決的是馬鈴薯自交衰退的問(wèn)題。自交衰退普遍存在于自然界，“就好像近親結(jié)婚，后代會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，且一代比一代嚴(yán)重，”尚軼說(shuō)，“在過(guò)去，育種家們通過(guò)選擇那些長(zhǎng)勢(shì)較好的后代繼續(xù)育種，而新的技術(shù)，可以讓我們?cè)诖髽颖局蟹N植和選擇，鑒定出控制衰退的基因，找到解決自交衰退的方法?！?br />
穿約億萬(wàn)年，尋找丟失的基因
自交衰退的原因，主要是作物基因組中對(duì)作物有害的突變引起的。而要解決自交衰退的問(wèn)題，就要知道有哪些有害突變，它們?cè)谀睦铮坑泻Τ潭扔卸喔?？又是怎樣出現(xiàn)有害作用的？
利于現(xiàn)代技術(shù)，團(tuán)隊(duì)科學(xué)家在前期鑒定出了一批有害突變，并在育種時(shí)剔除，這并不算特別難，難處在于，許多有害突變的效應(yīng)并不明顯，甚至是“隱形”的，如何才能真正找到控制有害突變的因素，從根本上解決有害突變的問(wèn)題，才是這場(chǎng)攻關(guān)中的真正難題。
為了找到有害突變的根源，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的計(jì)劃，利用進(jìn)化基因組學(xué)技術(shù)，穿越歷史，在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，尋找突變的源頭和脈絡(luò)，從而找到解決的辦法。
馬鈴薯是典型的茄科植物，和西紅柿、茄子、辣椒等同科，事實(shí)上，馬鈴薯的果實(shí)，就像一個(gè)微型的西紅柿。
那么，這些同屬茄科的植物中，是否在漫長(zhǎng)的演化中，也有過(guò)類似的經(jīng)歷呢？或者它們之間的不同，又是怎樣產(chǎn)生的呢？此外，和馬鈴薯很像的紅薯，盡管不是茄科，但它所屬的旋花科，和茄科同屬于管狀花目，它們之間又有怎樣的關(guān)系呢？
在計(jì)劃中，團(tuán)隊(duì)收集了100份茄科和旋花科的材料，利用基因組測(cè)序技術(shù)，繪制了每一種材料的進(jìn)化樹(shù)，其中最長(zhǎng)的相當(dāng)于進(jìn)化了八千萬(wàn)年，100份材料總進(jìn)化時(shí)間為十二億年。
漫長(zhǎng)歷史中，生物的進(jìn)化看似難以理解，但實(shí)際上，秘密都藏在基因中，基因記錄了每一次變化的過(guò)程和結(jié)果，因此，透過(guò)漫長(zhǎng)的歷史，就可以清晰地照見(jiàn)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的一切，黃三文稱之為“歷史透鏡”。
如何用這面“歷史透鏡”觀察馬鈴薯的演化史呢？團(tuán)隊(duì)科學(xué)家們選擇了一個(gè)特殊的角度去觀察，即基因位點(diǎn)的保守性，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是尋找那些億萬(wàn)年沒(méi)有變過(guò)的基因位點(diǎn)，這些沒(méi)有變的位點(diǎn)，無(wú)疑有著各種不可或缺的功能，如果它們發(fā)生突變，往往會(huì)對(duì)作物本身產(chǎn)生巨大的不利影響。也就是說(shuō)，那些本來(lái)不該變的基因發(fā)生了變異，往往就意味著疾病、退化甚至死亡等不利的結(jié)果。
“由此，我們構(gòu)建了一個(gè)新的圖譜，即有害突變的二維圖譜，二維，是指基因本身的信息和保守值（突變后有害程度）兩個(gè)維度。” 黃三文介紹。
在彩云之南，種下無(wú)數(shù)株馬鈴薯
育種需要合適的環(huán)境，在北方，馬鈴薯一般一年只種一季，最多兩季，而雜交育種本身，需要一代又一代地不斷選擇，因此，科學(xué)家們會(huì)選擇合適的環(huán)境，去加代種植，在水稻、玉米等育種中，位于熱帶的海南，成為育種家們選擇加代種植的地方，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，可以讓水稻等作物每年多種一代，這也意味著多了一代選擇的時(shí)間。
最適合馬鈴薯加代種植的，則是云南，云南氣候復(fù)雜，從熱帶氣候到溫帶氣候都有，可以實(shí)現(xiàn)一年四季種植馬鈴薯。
2017年，尚軼帶著全家人，從北京出發(fā)，一路南下，在云南定居，開(kāi)啟了馬鈴薯育種的實(shí)驗(yàn)，他們與云南各州市農(nóng)科院建立了友好合作關(guān)系，利用他們的眾多實(shí)驗(yàn)基地保障一年中任何時(shí)候，都有馬鈴薯在地里生長(zhǎng)，這也是短短幾年中，馬鈴薯雜交育種技術(shù)得以突破的重要因素。
從北京到云南，改變是全方位的，家人的工作，孩子的學(xué)業(yè)等，都經(jīng)歷著天翻地覆的變化，而同樣常住云南的尚軼，沒(méi)有太多時(shí)間照顧家里。
遍布云南的實(shí)驗(yàn)基地中，常年種植著數(shù)十萬(wàn)株馬鈴薯。要在這么大規(guī)模的樣本中，選擇合適育種的材料，不僅需要艱辛的田間勞作，還需要卓越的策略，以及一點(diǎn)兒運(yùn)氣。
事實(shí)上，通過(guò)生物學(xué)技術(shù)的輔助，團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)反直覺(jué)的策略，即選擇那些看起來(lái)較弱的材料，而不是像常規(guī)的雜交育種一樣，選擇更強(qiáng)壯的材料。
團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，更壯的植株，攜帶的有害變化就更多，傳給后代的有害變化也就更多，而弱一點(diǎn)兒的，反而攜帶的有害變化少，傳給后代的也少，這樣的選擇，依賴于現(xiàn)代技術(shù)的輔助和指導(dǎo)，僅憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，是不可能作出這樣的選擇的。
對(duì)研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，新的育種技術(shù)下，實(shí)驗(yàn)室的工作和田間的工作，幾乎同樣繁重，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大樣本的篩選，以及對(duì)馬鈴薯基因的深入鑒定，團(tuán)隊(duì)找到了37萬(wàn)個(gè)有害突變，這些有害突變，只有三分之一是以前就知道的，三分之二是新發(fā)現(xiàn)的。
2024年3月，法國(guó)科學(xué)院院士Lucas教授與尚軼（右二）在晉寧區(qū)甸頭村馬鈴薯科技小院查看材料生長(zhǎng)情況。受訪者供圖
從一粒種子，到一個(gè)世界
當(dāng)自交不親和、自交衰退被解決后，馬鈴薯雜交最大的難關(guān)也就被攻克了。
2021年，利用雜交技術(shù)，一個(gè)概念性品種育成了，團(tuán)隊(duì)將它命名為“優(yōu)薯1號(hào)”，這是一種黃心土豆，胡蘿卜素含量極高，品質(zhì)很高，畝產(chǎn)大約為常規(guī)品種的50%到80%。
之所以成為概念性品種，是因?yàn)樗砹笋R鈴薯雜交技術(shù)路徑的真正實(shí)現(xiàn)，尚軼介紹，“這個(gè)品種的育成，證明了我們的技術(shù)路線是有效的，馬鈴薯雜交是可以實(shí)現(xiàn)的。所以叫概念性品種。”
雜交馬鈴薯的成功，意味著未來(lái)的馬鈴薯種植中，不再需要依靠塊莖種植，而是可以像小麥、水稻一樣，用種子種植。
馬鈴薯種子非常小，種1畝地，只需要3-5克種子，而用塊莖種植，則需要數(shù)百斤，成本的大幅度降低將是可預(yù)期的，而這個(gè)未來(lái)，可能并不遙遠(yuǎn)。
“雜交水稻改變了世界，我們借助現(xiàn)代技術(shù)，用了近10年時(shí)間，攻克了馬鈴薯雜交這個(gè)難題，也希望能更快將新技術(shù)變成真正的產(chǎn)品，為未來(lái)人類的食物和營(yíng)養(yǎng)，提供新的幫助，也讓世界上無(wú)數(shù)以種植馬鈴薯為生的農(nóng)民，能夠多一分收獲。”尚軼說(shuō)。
如今，尚軼已經(jīng)在云南定居7年，馬鈴薯的育種攻關(guān)依然在進(jìn)行，“優(yōu)薯1號(hào)”是一次突破性的成果，但距離產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化還有距離，更多的工作還等著黃三文院士團(tuán)隊(duì)所有的研究人員。
“馬鈴薯是全營(yíng)養(yǎng)作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，足以提供人體所需的營(yíng)養(yǎng)，但在我國(guó)，加工產(chǎn)業(yè)起步較晚，有非常大的發(fā)展空間，而隨著馬鈴薯雜交技術(shù)的攻克，未來(lái)必然會(huì)有更大的市場(chǎng)，進(jìn)行馬鈴薯全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)是必須要做的事情了?！鄙休W說(shuō)。
新京報(bào)首席記者 周懷宗
這是尚軼到云南的第7年，7年前，他舉家從北京遷到云南，和眾同事一起，開(kāi)啟了一場(chǎng)馬鈴薯雜交的艱苦攻關(guān)。
馬鈴薯，又叫土豆、洋芋，是人類食物大家族中的“新成員”，400多年前的大航海中，西班牙人在南美洲的安第斯山脈中，首次發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯，并將它帶到全球。
400多年中，這個(gè)生長(zhǎng)在地下的“土豆”，走遍全球，已經(jīng)成為了人類消費(fèi)量第三的食物，僅次于水稻和小麥。
然而，和小麥、水稻相比，這個(gè)消費(fèi)量第三的大宗作物，一直沒(méi)有攻克雜交的難題，許多主栽的品種，還是幾十年前乃至100多年前育成的。
云南是馬鈴薯育種的天選之地，這里氣候復(fù)雜，一年四季都可以種植。
在田間，尚軼所在的黃三文院士團(tuán)隊(duì)，每年都要種植幾十萬(wàn)株馬鈴薯，尋找一株特殊的馬鈴薯?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他們又深入馬鈴薯的基因之中，穿越億萬(wàn)年歷史，重新找回人類馴化中丟失的能力。
全營(yíng)養(yǎng)作物，一度消失的能力
馬鈴薯是全營(yíng)養(yǎng)作物，它含有人類所需的絕大部分營(yíng)養(yǎng)元素，這意味著，在某些特定情況下，僅吃馬鈴薯，就能夠維系人基本的生存。
馬鈴薯還是最容易種植的作物之一，具有耐旱、耐寒、耐貧瘠等多種能力，可以在最貧瘠的土地上種植，只要有一點(diǎn)兒雨水，就能夠存活，生產(chǎn)出供人們飽腹的食物。
因此，當(dāng)它走出南美洲的大山，走向世界的時(shí)候，許許多多的地方因它而改變，400多年后，全球已經(jīng)有13億人以馬鈴薯為主食。
“和其他糧食作物相比，馬鈴薯兼具糧用、菜用、飼用等多重功能，因此也被開(kāi)發(fā)出更加復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈條，在歐美國(guó)家，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，產(chǎn)品多樣，在歷史上，不少地方甚至只種植馬鈴薯?！?br />
馬鈴薯以塊莖繁殖，這是一種無(wú)性繁殖的方式，在培育中，人們發(fā)現(xiàn)，這種方式更容易獲得品質(zhì)一致的產(chǎn)品，因?yàn)槊恳粋€(gè)，理論上都是上一個(gè)的克隆體。其實(shí)，馬鈴薯的種子也可以繁殖，但原始的種子，繁殖的后代會(huì)出現(xiàn)性狀分離，可能會(huì)結(jié)出千奇百怪的馬鈴薯，不具備商業(yè)化的條件。
“塊莖繁殖更穩(wěn)定、一致性更好，當(dāng)育種家們發(fā)現(xiàn)品質(zhì)更好的馬鈴薯時(shí)，它的克隆體就會(huì)快速傳遍全球。然而，這也埋下了隱患，對(duì)馬鈴薯來(lái)說(shuō)，在全球傳播中，失去的不僅是種子繁衍的能力，也失去了多樣性，變得更加脆弱?！鄙休W說(shuō)。
如果全世界只種一種馬鈴薯，會(huì)出現(xiàn)怎樣的情況呢？1845年至1850年，位于歐洲的愛(ài)爾蘭，曾經(jīng)暴發(fā)嚴(yán)重的馬鈴薯晚疫病，難以遏制，而當(dāng)?shù)貛缀跞糠N植馬鈴薯，這導(dǎo)致了嚴(yán)重饑荒，5年間，愛(ài)爾蘭人口減少了四分之一，有數(shù)據(jù)顯示，百萬(wàn)人在這場(chǎng)饑荒中餓死。
品種迭代中，馬鈴薯進(jìn)展緩慢
進(jìn)入現(xiàn)代，農(nóng)業(yè)科技發(fā)生了革命性的變化，雜交育種等技術(shù)，使得品種的更新和迭代越來(lái)越快，比如小麥，在經(jīng)歷了綠色革命之后，產(chǎn)量快速上升，從畝產(chǎn)100多公斤，到如今，高產(chǎn)紀(jì)錄超過(guò)七八百公斤，幾乎每?jī)扇?，其品種就會(huì)更新一次，玉米、水稻等也是如此。
然而，馬鈴薯品種的更新似乎停滯了。當(dāng)前全球的主栽品種中，許多還是幾十年前育成的，其中一種主要用來(lái)做薯?xiàng)l的馬鈴薯，甚至是120年前育成的。
120年中，馬鈴薯的產(chǎn)量、品質(zhì)當(dāng)然會(huì)提高，但遺傳育種的貢獻(xiàn)并不大，更多來(lái)自于灌溉、肥料、病蟲(chóng)害防治等各種因素的進(jìn)步。
塊莖繁殖的模式，還帶來(lái)了許多問(wèn)題，比如種植成本更高，一顆馬鈴薯，切塊后種植，一般只能收獲10多個(gè)馬鈴薯，繁殖系數(shù)很低，只有1：10左右，而一粒小麥，可以繁殖出數(shù)百粒小麥。塊莖的保存、運(yùn)輸成本也更高，這也使得農(nóng)民種植馬鈴薯的收益變低。
“更重要的是，塊莖繁殖的模式，使得馬鈴薯容易積累對(duì)生長(zhǎng)不利的‘病毒’，這些藏在塊莖中的‘病毒’對(duì)人無(wú)害，但卻會(huì)嚴(yán)重影響馬鈴薯的生長(zhǎng)。當(dāng)前普遍采取的方式，是生產(chǎn)脫毒種薯，即用馬鈴薯莖尖培育新的馬鈴薯，盡可能減少病毒的積累，不過(guò)，這也意味著更高的生產(chǎn)成本，”黃三文說(shuō)，“幾十年來(lái)，全球科學(xué)家都在想辦法攻克馬鈴薯雜交的難題，但效果并不明顯。”
雜交馬鈴薯，開(kāi)啟一場(chǎng)新變革
能不能像小麥、水稻一樣，把馬鈴薯變成種子繁殖？并且利用雜交育種的技術(shù)，獲得雜種優(yōu)勢(shì)，降低成本，提高產(chǎn)量呢？
2015年，中國(guó)科學(xué)院院士黃三文和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了這場(chǎng)馬鈴薯雜交育種的科技攻關(guān)，尚軼也是其中一員。
馬鈴薯是四倍體，這意味著，馬鈴薯中有四套基因組，排列組合的可能性更多，雜交選育的難度也更大。尚軼告訴記者，要想實(shí)現(xiàn)雜交，首先要有一個(gè)高純度的自交系，但馬鈴薯存在自交不親和、自交衰退兩大特性。
如果能夠揭開(kāi)馬鈴薯雜交的難題，無(wú)疑是數(shù)百年栽培史中最重要的變革之一。
對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，給他們帶來(lái)了新的工具，團(tuán)隊(duì)利用最新的基因組技術(shù)和工具，拼接了馬鈴薯雙單倍體、二倍體和四倍體及泛基因組，并徹底打破自交不親和的問(wèn)題，使二倍體馬鈴薯可以自交，產(chǎn)生成熟的后代。初步解析了自交衰退的遺傳基礎(chǔ)，通過(guò)剔除極大效應(yīng)有害突變，培育出第一代自交系材料及雜交種。
解析自交不親和這個(gè)過(guò)程，用了4年。尚軼介紹，在過(guò)去，科學(xué)家們猜想，自交不親和之所以難以解決，是因?yàn)榭刂谱越徊挥H和的基因，和另外一個(gè)致死的基因連鎖在一起，如果敲除了影響自交親和的基因，就會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致馬鈴薯死亡。但經(jīng)過(guò)基因鑒定，他們發(fā)現(xiàn)，以前的猜想并不準(zhǔn)確。也正是這一發(fā)現(xiàn)，使得克隆自交不親和基因成為可能。
解決了自交不親和問(wèn)題，接著需要解決的是馬鈴薯自交衰退的問(wèn)題。自交衰退普遍存在于自然界，“就好像近親結(jié)婚，后代會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，且一代比一代嚴(yán)重，”尚軼說(shuō)，“在過(guò)去，育種家們通過(guò)選擇那些長(zhǎng)勢(shì)較好的后代繼續(xù)育種，而新的技術(shù)，可以讓我們?cè)诖髽颖局蟹N植和選擇，鑒定出控制衰退的基因，找到解決自交衰退的方法?！?br />
穿約億萬(wàn)年，尋找丟失的基因
自交衰退的原因，主要是作物基因組中對(duì)作物有害的突變引起的。而要解決自交衰退的問(wèn)題，就要知道有哪些有害突變，它們?cè)谀睦铮坑泻Τ潭扔卸喔?？又是怎樣出現(xiàn)有害作用的？
利于現(xiàn)代技術(shù)，團(tuán)隊(duì)科學(xué)家在前期鑒定出了一批有害突變，并在育種時(shí)剔除，這并不算特別難，難處在于，許多有害突變的效應(yīng)并不明顯，甚至是“隱形”的，如何才能真正找到控制有害突變的因素，從根本上解決有害突變的問(wèn)題，才是這場(chǎng)攻關(guān)中的真正難題。
為了找到有害突變的根源，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的計(jì)劃，利用進(jìn)化基因組學(xué)技術(shù)，穿越歷史，在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，尋找突變的源頭和脈絡(luò)，從而找到解決的辦法。
馬鈴薯是典型的茄科植物，和西紅柿、茄子、辣椒等同科，事實(shí)上，馬鈴薯的果實(shí)，就像一個(gè)微型的西紅柿。
那么，這些同屬茄科的植物中，是否在漫長(zhǎng)的演化中，也有過(guò)類似的經(jīng)歷呢？或者它們之間的不同，又是怎樣產(chǎn)生的呢？此外，和馬鈴薯很像的紅薯，盡管不是茄科，但它所屬的旋花科，和茄科同屬于管狀花目，它們之間又有怎樣的關(guān)系呢？
在計(jì)劃中，團(tuán)隊(duì)收集了100份茄科和旋花科的材料，利用基因組測(cè)序技術(shù)，繪制了每一種材料的進(jìn)化樹(shù)，其中最長(zhǎng)的相當(dāng)于進(jìn)化了八千萬(wàn)年，100份材料總進(jìn)化時(shí)間為十二億年。
漫長(zhǎng)歷史中，生物的進(jìn)化看似難以理解，但實(shí)際上，秘密都藏在基因中，基因記錄了每一次變化的過(guò)程和結(jié)果，因此，透過(guò)漫長(zhǎng)的歷史，就可以清晰地照見(jiàn)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的一切，黃三文稱之為“歷史透鏡”。
如何用這面“歷史透鏡”觀察馬鈴薯的演化史呢？團(tuán)隊(duì)科學(xué)家們選擇了一個(gè)特殊的角度去觀察，即基因位點(diǎn)的保守性，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是尋找那些億萬(wàn)年沒(méi)有變過(guò)的基因位點(diǎn)，這些沒(méi)有變的位點(diǎn)，無(wú)疑有著各種不可或缺的功能，如果它們發(fā)生突變，往往會(huì)對(duì)作物本身產(chǎn)生巨大的不利影響。也就是說(shuō)，那些本來(lái)不該變的基因發(fā)生了變異，往往就意味著疾病、退化甚至死亡等不利的結(jié)果。
“由此，我們構(gòu)建了一個(gè)新的圖譜，即有害突變的二維圖譜，二維，是指基因本身的信息和保守值（突變后有害程度）兩個(gè)維度。” 黃三文介紹。
在彩云之南，種下無(wú)數(shù)株馬鈴薯
育種需要合適的環(huán)境，在北方，馬鈴薯一般一年只種一季，最多兩季，而雜交育種本身，需要一代又一代地不斷選擇，因此，科學(xué)家們會(huì)選擇合適的環(huán)境，去加代種植，在水稻、玉米等育種中，位于熱帶的海南，成為育種家們選擇加代種植的地方，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，可以讓水稻等作物每年多種一代，這也意味著多了一代選擇的時(shí)間。
最適合馬鈴薯加代種植的，則是云南，云南氣候復(fù)雜，從熱帶氣候到溫帶氣候都有，可以實(shí)現(xiàn)一年四季種植馬鈴薯。
2017年，尚軼帶著全家人，從北京出發(fā)，一路南下，在云南定居，開(kāi)啟了馬鈴薯育種的實(shí)驗(yàn)，他們與云南各州市農(nóng)科院建立了友好合作關(guān)系，利用他們的眾多實(shí)驗(yàn)基地保障一年中任何時(shí)候，都有馬鈴薯在地里生長(zhǎng)，這也是短短幾年中，馬鈴薯雜交育種技術(shù)得以突破的重要因素。
從北京到云南，改變是全方位的，家人的工作，孩子的學(xué)業(yè)等，都經(jīng)歷著天翻地覆的變化，而同樣常住云南的尚軼，沒(méi)有太多時(shí)間照顧家里。
遍布云南的實(shí)驗(yàn)基地中，常年種植著數(shù)十萬(wàn)株馬鈴薯。要在這么大規(guī)模的樣本中，選擇合適育種的材料，不僅需要艱辛的田間勞作，還需要卓越的策略，以及一點(diǎn)兒運(yùn)氣。
事實(shí)上，通過(guò)生物學(xué)技術(shù)的輔助，團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)反直覺(jué)的策略，即選擇那些看起來(lái)較弱的材料，而不是像常規(guī)的雜交育種一樣，選擇更強(qiáng)壯的材料。
團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，更壯的植株，攜帶的有害變化就更多，傳給后代的有害變化也就更多，而弱一點(diǎn)兒的，反而攜帶的有害變化少，傳給后代的也少，這樣的選擇，依賴于現(xiàn)代技術(shù)的輔助和指導(dǎo)，僅憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，是不可能作出這樣的選擇的。
對(duì)研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，新的育種技術(shù)下，實(shí)驗(yàn)室的工作和田間的工作，幾乎同樣繁重，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大樣本的篩選，以及對(duì)馬鈴薯基因的深入鑒定，團(tuán)隊(duì)找到了37萬(wàn)個(gè)有害突變，這些有害突變，只有三分之一是以前就知道的，三分之二是新發(fā)現(xiàn)的。
2024年3月，法國(guó)科學(xué)院院士Lucas教授與尚軼（右二）在晉寧區(qū)甸頭村馬鈴薯科技小院查看材料生長(zhǎng)情況。受訪者供圖
從一粒種子，到一個(gè)世界
當(dāng)自交不親和、自交衰退被解決后，馬鈴薯雜交最大的難關(guān)也就被攻克了。
2021年，利用雜交技術(shù)，一個(gè)概念性品種育成了，團(tuán)隊(duì)將它命名為“優(yōu)薯1號(hào)”，這是一種黃心土豆，胡蘿卜素含量極高，品質(zhì)很高，畝產(chǎn)大約為常規(guī)品種的50%到80%。
之所以成為概念性品種，是因?yàn)樗砹笋R鈴薯雜交技術(shù)路徑的真正實(shí)現(xiàn)，尚軼介紹，“這個(gè)品種的育成，證明了我們的技術(shù)路線是有效的，馬鈴薯雜交是可以實(shí)現(xiàn)的。所以叫概念性品種。”
雜交馬鈴薯的成功，意味著未來(lái)的馬鈴薯種植中，不再需要依靠塊莖種植，而是可以像小麥、水稻一樣，用種子種植。
馬鈴薯種子非常小，種1畝地，只需要3-5克種子，而用塊莖種植，則需要數(shù)百斤，成本的大幅度降低將是可預(yù)期的，而這個(gè)未來(lái)，可能并不遙遠(yuǎn)。
“雜交水稻改變了世界，我們借助現(xiàn)代技術(shù)，用了近10年時(shí)間，攻克了馬鈴薯雜交這個(gè)難題，也希望能更快將新技術(shù)變成真正的產(chǎn)品，為未來(lái)人類的食物和營(yíng)養(yǎng)，提供新的幫助，也讓世界上無(wú)數(shù)以種植馬鈴薯為生的農(nóng)民，能夠多一分收獲。”尚軼說(shuō)。
如今，尚軼已經(jīng)在云南定居7年，馬鈴薯的育種攻關(guān)依然在進(jìn)行，“優(yōu)薯1號(hào)”是一次突破性的成果，但距離產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化還有距離，更多的工作還等著黃三文院士團(tuán)隊(duì)所有的研究人員。
“馬鈴薯是全營(yíng)養(yǎng)作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，足以提供人體所需的營(yíng)養(yǎng)，但在我國(guó)，加工產(chǎn)業(yè)起步較晚，有非常大的發(fā)展空間，而隨著馬鈴薯雜交技術(shù)的攻克，未來(lái)必然會(huì)有更大的市場(chǎng)，進(jìn)行馬鈴薯全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)是必須要做的事情了?！鄙休W說(shuō)。
新京報(bào)首席記者 周懷宗
