中国团队找到一把“万能钥匙”：克服马铃薯自交不亲和难题

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（下称“基因组所”）黄三文研究员等人发起的“优薯计划”再次获得新进展。7月6日，国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了云南师范大学尚轶、李灿辉团队和黄三文团队合作研究的一项研究，题为“A non S-locus F-box gene breaks self-incompatibility in diploid potatoes”，报道了马铃薯自交亲和基因Sli (S-locus inhibitor)的克隆及功能解析。 100多年来，马铃薯基础研究与产业发展主要围绕“四倍体育种-块茎繁殖”体系开展。生产上常用的四倍体栽培种存在遗传背景狭窄、染色体高度杂合、自交衰退严重、杂交后代分离情况复杂等弊端，造成常规四倍体育种难度大、周期长。
而二倍体马铃薯种质资源丰富，遗传分析相对简单。水稻、玉米等二倍体作物中成熟的育种理论和工具可直接应用于二倍体马铃薯育种。因此，利用变异丰富的遗传材料构建“二倍体杂交育种-种子繁殖”体系是马铃薯育种新的发展趋势，被誉为马铃薯科研“皇冠上的明珠”。
然而，要摘得这颗明珠并不容易。绝大多数二倍体马铃薯自交不亲和，因此构建“二倍体杂交育种-种子繁殖”体系亟需解决二倍体材料自交不亲和的问题。
研究团队提到，马铃薯的自交不亲和是由高多态性的S位点控制的。S位点主要包括两个紧密连锁的基因，花柱特异表达的S-RNase基因和花粉特异表达的SLF（S-locus F-box）基因。
S-RNase蛋白具有核酸酶活性，在花粉管伸长阶段，高浓度的S-RNase蛋白从柱头进入到花粉管中，特异性降解自身花粉管的rRNA，抑制花粉管的进一步伸长，达到排斥自身花粉的目的。花粉中的SLF蛋白，则能与ASK1和CULLIN蛋白结合，组成E3泛素复合体，介导异己S-RNase的降解，导致杂交亲和。但是SLF不能介导自身S-RNase的降解，S-RNase继续发挥“细胞毒素”的作用，抑制自身花粉管的伸长，从而导致自交不亲和。
研究团队将S-RNase基因和SLF基因比作“锁”和“钥匙”的关系。他们认为，要克服自交不亲和，可以直接破坏掉锁，或者找一把“万能钥匙”可以打开所有类型的锁。
在前期研究中，黄三文团队利用基因组编辑技术敲除S-RNase基因和筛选S-RNase自然突变体的方式获得了自交亲和的材料，相当于“破坏了锁”。在此次最新的研究中，该团队则找到了一把“万能钥匙”Sli基因。
值得一提的是，早在1998年，日本和美国的科学家即首次报道了Sli基因，但该基因一直未被克隆，原因之一是该性状表型评价很难。黄三文团队通过基因组学分析发现，在自交过程中仅含有Sli基因的花粉才能完成双受精，所以自交群体会出现配子体型偏分离，并巧妙的利用这个遗传现象在不进行表型评价的前提下完成了Sli基因的克隆。
该基因编码一类在花粉中特异表达的F-box蛋白，与传统SLF蛋白仅能与1-2种类型的S-RNase蛋白相互作用不同，Sli可与10多种类型的S-RNase相互作用，从而介导广泛的自交亲和。
值得一提的是，《自然-通讯》此次以“背靠背”（back to back）的方式报道了荷兰马铃薯育种公司Solynta与瓦赫宁根大学Christian Bachem团队合作从一份野生自交亲和马铃薯材料（Solanum chacoense Bitt.）中克隆Sli基因的工作，进一步显示了该基因对于马铃薯基础研究和遗传改良的重要意义。 另外，就在半个月前的6月24日，顶级学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了黄三文等人完成的一项研究，题为“Genome design of hybrid potato（杂交马铃薯的基因组设计）”。该论文报道了研究团队在杂交马铃薯育种领域的研究成果，这是“优薯计划”实施以来取得的里程碑式突破。
基因组所研究员张春芝当时对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者在内的媒体介绍道，团队已经培育出了第一代高纯合度（>99%）二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。小区试验显示，“优薯1号”的产量接近3吨/亩，具有显著的产量杂种优势。同时，“优薯1号”具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点，蒸煮品质佳。
去年的11月8日，“优薯计划”团队还得到了袁隆平院士的指导。袁隆平院士当时对马铃薯杂交种子繁殖技术给予了高度评价，认为用杂交种子替代薯块繁殖，可有效解决马铃薯重大产业难题。袁隆平院士还专门为“优薯计划”题词：“马铃薯杂交种子繁殖技术是颠覆性创新，将带来马铃薯的绿色革命”。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24266-7(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)