土豆十講-1. 雜交土豆的設想和實踐

土豆的繁殖方式

一說起種莊稼，可能很多人想到的都是把種子撒到地里的場景，對於很多作物來說的確如此。這類依靠種子種植作物的授粉方式一般又分為兩種，自交或者雜交。很多作物本來主要是依靠自交來繁殖的，比如小麥、水稻、玉米、番茄等等。但是，在實踐過程中，為了方便育種，利用雜種優勢，同時又為了保護育種者的利益，目前很多商品化的種子都是靠雜交得到的。

除了這些靠種子繁殖的作物，還有很多作物是依靠營養器官繁殖，比如香蕉、蘋果、很多花卉植物以及我們今天的主角土豆。這些依靠營養器官繁殖的植物有很多都是多倍體，基因組高度雜合，同時具有自交衰退的現象。如果像其他作物一樣進行雜交，其後代通常會瘋狂性狀分離，不利於生產。而利用其營養器官繁殖可以得到性狀穩定的後代。

回到土豆，目前絕大多數栽培土豆品種都是四倍體，其基因組高度雜合。土豆這個器官本身其實長在地下的塊狀莖，可以儲存很多能量，通過出芽得到無性繁殖的下一代植物。在生產上，傳統上農民會留下一小部分收穫的薯塊作為種薯，用於下一季的生產，但是，這樣得到的土豆在種植幾代後就會出現退化的現象，其主要原因是在種植過程中會有很多病害，比如病毒在薯塊里積累，導致產量逐年下降。

所以，在現代化的生產中提倡使用脫毒種薯。這其實就是將土豆在無菌的實驗室里進行組織培養，將幼苗頂部的莖尖組織用鋒利、無菌的刀片切下來轉入新的培養基，這樣培育幾代以後就可以得到無毒的「脫毒苗」。種薯公司就利用這些脫毒苗來生產脫毒的種薯，然後種薯就可以作為種子賣給農民用於生產了。

安第斯山脈的各種倍性的土豆

儘管目前大部分栽培品種都是四倍體，但是在土豆的故鄉，南美洲的安第斯山脈附近，很多不同倍性的土豆野生親戚，從二倍體到六倍體，在當地都被用來作為食物。

面臨的問題

這一套依靠脫毒種薯的種植系統已經很成熟且廣泛應用，但這導致了一系列問題：

1. 種薯不利於儲存和運輸

2. 育種的周期很長，同時從新品種到農民用來在田間播種的種薯需要更長時間

3. 育種者的權利無法保障

雜交土豆的構想

由於這些問題，育種者開始思考是否能像其他作物那樣，育出基因組純和的具有優良性狀的親本植物，然後通過生產雜交土豆種子。這個設想其實是有先例的，在甜菜的育種種就曾經經歷過多雜合多倍體到純和二倍體的轉變。

但之前也提到過，一般栽培土豆是雜合四倍體，在不考慮自交衰退和自交不親和的前提下，至少需要進行20輪自交才能獲得基因組99%純和的遺傳背景。而那些二倍體土豆，很多都有自交不親和的問題，要想解決這個問題，我們先來解釋下什麼是植物的自交不親和系統。

植物自交不親和系統

作為人類，大家都有這樣的常識，近親繁殖會使得一些遺傳病的獲得概率大大提高。所以大部分國家都會通過法律和道德來避免近親結婚等問題。

而植物可不管這些，有很多植物都是可以通過自交繁殖的，比如自己的花粉落到自己的柱頭上授粉。但是，自交就會導致遺傳多樣性的下降，在自然界，遺傳多樣性下降的直接後果就是對環境適應性下降，所以植物也獨立進化出了多種多樣的自交不親和系統。比如十字花科植物里的柱頭上，有一種叫做SRK的受體激酶，它可以識別花粉上的一種小分子蛋白SCR/SP11, 如果識別到這是來自自己的花粉，就會阻止花粉萌發，而如果是來自其他植物的花粉則可以正常萌發(1,

2)。

茄科植物的S位點

而茄科植物里有著另一套系統，柱頭上的細胞可以分泌一種RNA酶(S-RNase)，從而組織花粉的萌發，這個系統很早前就被發現，但是真正拿到分子生物學的證據主要是靠著1993年的這兩個實驗：1. Lee和他的同事在矮牽牛(Petunia inflata)中把S-RNase沉默掉，發現矮牽牛從自交不親和變成自交親和了； 2. 另一個實驗是來自於Murfet和他的同事，他們使用煙草作為模式之物，他們將兩種本來自交親和的煙草Nicotiana

langsforfii和N. alata的S-RNase基因加入了一個強力的在柱頭特異表達的啟動子，然後這兩種本來自交親和的煙草就都變成自交不親和了 (3,4)。

通過標記基因組學的方法，土豆中的S-locus被定位在1號染色體（5）

S位點抑制基因（Sli）基因的發現和定位

Sli基因是在1998年被Hosaka和Hanneman發現的。

一種叫做Solanum chacoense的野生土豆通常是自交不親和的，但是他們找到了一個自交親和的變種。

這個自交親和的Solanum Chacoense被和自交不親和的二倍體栽培土豆S. phureja進行雜交，在F1的群體里，自交親和和不親和的後代出現了性狀分離，這些遺傳學的數據證明了一個單主效基因可以抑制自交不親和，所以這個基因被稱為Sli

(S locus inhibitor)。通過利用這個Sli基因，就可以將土豆進行雜交，從而得到接近純和的自交系。（6）

這個群體的表性鑒定方式是將每一個F1進行自交，以觀察是否自交親和，在觀察的群體里，有66個體自交親和，35個個體自交不親和，偏離了標準的1：1，但研究者仍然認為這個性狀是由單一主效基因所控制的。研究者利用28個RAPD和127個RFLP分子標記，將Sli基因定位到了12號染色體的末端。而土豆中的S位點位於1號染色體，所以這也證明了Sli基因是個獨立於S位點的基因。(7)

基於Sli基因的純和二倍體自交土豆應用

儘管雜交土豆的設想在六十年前就曾被提出來過(8),但從實用角度還有很多問題需要解決，比如剛剛提到Hosaka和Hanneman定位到的Sli基因，利用這個基因進行反覆的自交可以得到相對純和的二倍體土豆，但是這些純和的克隆無論是結薯的質量和產量，在商業實踐上都幾乎毫無用處。

但是Sli基因的發現，為雜交土豆項目帶來了希望。

2011年，荷蘭Solynta公司的科學家Pim Lindhout博士和Wageningen大學植物育種系的科學家一起發表了一篇論文，證明了基於Sli基因的雜交土豆在實踐應用中是可行的。（9）

他們將攜帶Sli基因的二倍體土豆和帶有優秀田間性狀的二倍體土豆進行雜交得到F1代群體，在從中選出自交親和(SC)的個體進行兩輪自交得到了F3群體。通過表性鑒定，發現F3群體的一些個體，已經可以達到和親本相似的產量。

自此，基於Sli基因的純和二倍體土豆的應用從實踐上被證明是可行的，Solynta公司將這個技術申請了專利（EP2514303A1），也因此獲得了Rabobank

Innovation Prize, 並得到了歐盟的Horizon 2020 research and

innovation programme的資助。Solynta公司開始基於這個突破開始改善和開發更好的純和二倍體土豆材料。

雜交土豆商業化的潛力

雜交土豆是個非常有吸引力的設想，一旦技術成熟，在商業上將會改變整個產業，而且它將給土豆育種和整個產業帶來無限的可能性。如今，很多單位和公司都在朝著這個方向努力。

比如荷蘭最大的種薯公司HZPC, 他們也開展了雜交土豆的研究並在官網發文「Are hybrid poato seeds the future?」(雜交土豆種子是否是未來的方向？)(10)。他們在文中討論了雜交土豆的優勢，但他們認為未來可能是雜交土豆種子和種薯並存且互補的，比如要在一些溫度低且缺水的地方，種薯提供的營養能保證植物更好的生長。

荷蘭的Bejo公司，通過15年的努力，在2017年剛剛推出了市面上第一款四倍體雜交土豆的種子，這個品種被成為Oliva

F1,它是一款口感偏」粉」的餐用馬鈴薯，其形狀是橢圓形。它的親本儘管是四倍體，但是經過了反覆的自交從而使其基因組基本純和。 （11）

還有玩家還包括德國的KWS公司 (12)

中國科學家也加入了雜交土豆的研究，曾經率先完成土豆單倍體基因組計劃的農科院黃三文研究員也在進行馬鈴薯「二倍體雜交育種-種子繁殖」的研究(13)。

參考資料:

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. 雲南「洋芋」革命 土豆身後的主糧「大身份」http://yn.yunnan.cn/html/2016-10/12/content_4571201.htm

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