中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（下稱“基因組所”）黃三文研究員等人發(fā)起的“優(yōu)薯計(jì)劃”再次獲得新進(jìn)展。7月6日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了云南師范大學(xué)尚軼、李燦輝團(tuán)隊(duì)和黃三文團(tuán)隊(duì)合作研究的一項(xiàng)研究，題為“A non S-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes”，報(bào)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(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要圍繞“四倍體育種-塊莖繁殖”體系開展。生產(chǎn)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(yán)重、雜交后代分離情況復(fù)雜等弊端，造成常規(guī)四倍體育種難度大、周期長。

而二倍體馬鈴薯種質(zhì)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(yīng)用于二倍體馬鈴薯育種。因此，利用變異豐富的遺傳材料構(gòu)建“二倍體雜交育種-種子繁殖”體系是馬鈴薯育種新的發(fā)展趨勢，被譽(yù)為馬鈴薯科研“皇冠上的明珠”。

然而，要摘得這顆明珠并不容易。絕大多數(shù)二倍體馬鈴薯自交不親和，因此構(gòu)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(tuán)隊(duì)提到，馬鈴薯的自交不親和是由高多態(tài)性的S位點(diǎn)控制的。S位點(diǎn)主要包括兩個(gè)緊密連鎖的基因，花柱特異表達(dá)的S-RNase基因和花粉特異表達(dá)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(jìn)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(jìn)一步伸長，達(dá)到排斥自身花粉的目的?；ǚ壑械腟LF蛋白，則能與ASK1和CULLIN蛋白結(jié)合，組成E3泛素復(fù)合體，介導(dǎo)異己S-RNase的降解，導(dǎo)致雜交親和。但是SLF不能介導(dǎo)自身S-RNase的降解，S-RNase繼續(xù)發(fā)揮“細(xì)胞毒素”的作用，抑制自身花粉管的伸長，從而導(dǎo)致自交不親和。

研究團(tuán)隊(duì)將S-RNase基因和SLF基因比作“鎖”和“鑰匙”的關(guān)系。他們認(rèn)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”可以打開所有類型的鎖。

在前期研究中，黃三文團(tuán)隊(duì)利用基因組編輯技術(shù)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(dāng)于“破壞了鎖”。在此次最新的研究中，該團(tuán)隊(duì)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(xué)家即首次報(bào)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(jià)很難。黃三文團(tuán)隊(duì)通過基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，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(huì)出現(xiàn)配子體型偏分離，并巧妙的利用這個(gè)遺傳現(xiàn)象在不進(jìn)行表型評價(jià)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(dá)的F-box蛋白，與傳統(tǒng)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多種類型的S-RNase相互作用，從而介導(dǎo)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(bào)道了荷蘭馬鈴薯育種公司Solynta與瓦赫寧根大學(xué)Christian Bachem團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步顯示了該基因?qū)τ隈R鈴薯基礎(chǔ)研究和遺傳改良的重要意義。 

另外，就在半個(gè)月前的6月24日，頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了黃三文等人完成的一項(xiàng)研究，題為“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計(jì)）”。該論文報(bào)道了研究團(tuán)隊(duì)在雜交馬鈴薯育種領(lǐng)域的研究成果，這是“優(yōu)薯計(jì)劃”實(shí)施以來取得的里程碑式突破。

基因組所研究員張春芝當(dāng)時(shí)對澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者在內(nèi)的媒體介紹道，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)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(yōu)薯1號”。小區(qū)試驗(yàn)顯示，“優(yōu)薯1號”的產(chǎn)量接近3噸/畝，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。同時(shí)，“優(yōu)薯1號”具有高干物質(zhì)含量和高類胡蘿卜素含量的特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。

去年的11月8日，“優(yōu)薯計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)還得到了袁隆平院士的指導(dǎo)。袁隆平院士當(dāng)時(shí)對馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)給予了高度評價(jià)，認(rèn)為用雜交種子替代薯塊繁殖，可有效解決馬鈴薯重大產(chǎn)業(yè)難題。袁隆平院士還專門為“優(yōu)薯計(jì)劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24266-7