APP 馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是茄科植物家族的一員，又稱地蛋、山藥豆、山藥蛋、荷蘭薯、土豆、洋芋、地豆、陽芋等。
通常人們將馬鈴薯的塊莖作為食用部分，其塊莖不僅富含淀粉與優(yōu)質(zhì)蛋白，還蘊(yùn)藏豐富的膳食纖維、多種維生素及礦物質(zhì)，并含有多種生物活性化合物，如類胡蘿卜素、花青素、酚類及類黃酮，營養(yǎng)價(jià)值極高。
作為全球僅次于水稻與小麥的第三大糧食作物，馬鈴薯在保障糧食供應(yīng)、緩解區(qū)域饑餓、促進(jìn)減貧及強(qiáng)化糧食安全方面扮演著舉足輕重的角色。
馬鈴薯新品種選育基地
近年來，隨著基因編輯育種、轉(zhuǎn)基因育種及二倍體雜交育種等生物技術(shù)的興起，馬鈴薯的育種工作取得了顯著進(jìn)展，有效提升了塊莖的品質(zhì)與產(chǎn)量。
特別是基因工程技術(shù)，通過精準(zhǔn)整合外源基因至馬鈴薯基因組，實(shí)現(xiàn)靶向遺傳修飾而保持整體遺傳穩(wěn)定性，成功突破了傳統(tǒng)育種的局限。例如，CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)已應(yīng)用于馬鈴薯，以調(diào)整塊莖淀粉成分、增強(qiáng)生物脅迫抵抗力，并解決自交不親和問題，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
馬鈴薯開花
升級(jí)挑戰(zhàn)第一關(guān)：基因編輯技術(shù)重塑馬鈴薯淀粉構(gòu)成
馬鈴薯是食品和工業(yè)應(yīng)用淀粉的重要來源，約由20-30%直鏈淀粉和70-80%支鏈淀粉組成，在不同的品種中兩者的比例有所偏差，但通常為1：4。不同的淀粉比例會(huì)影響其物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響不同品種的適用性。
科學(xué)家利用CRISPR/Cas系統(tǒng)介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)可改變馬鈴薯中的淀粉組成，以用于各種應(yīng)用。
含支鏈淀粉比例高的馬鈴薯，憑借其突出的粘合性能，在造紙工業(yè)中擔(dān)任粘合劑角色，同時(shí)在食品領(lǐng)域作為增稠劑、膨脹劑或涂層劑大放異彩。
富含直鏈淀粉和抗消化淀粉的馬鈴薯不僅展現(xiàn)出較好的耐消化特性，還能有效助力熱量控制、降低胰島素反應(yīng)，對(duì)促進(jìn)腸道健康具有積極意義。因此，這類馬鈴薯品種有望成為新一代健康食品的優(yōu)選，滿足市場(chǎng)對(duì)營養(yǎng)與健康的雙重追求。
兩種淀粉的組成結(jié)構(gòu)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
升級(jí)歷險(xiǎn)第二關(guān)：轉(zhuǎn)基因技術(shù)賦能馬鈴薯生物脅迫防御
馬鈴薯的種植之旅中，面臨著由卵菌誘發(fā)的早疫病與晚疫病、細(xì)菌引發(fā)的細(xì)菌性枯萎病和環(huán)腐病，以及多種病毒與類病毒的侵襲，構(gòu)成了三大生物脅迫的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)上，我們依賴殺真菌劑來對(duì)抗晚疫病，利用殺蟲劑減少病媒數(shù)量以預(yù)防病毒擴(kuò)散，然而，這些化學(xué)手段的使用往往伴隨著環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。
面對(duì)這一困境，科學(xué)家轉(zhuǎn)向更為先進(jìn)且可持續(xù)的解決方案：通過精確地敲除易感基因，并巧妙地插入能夠促進(jìn)有益代謝物生成的基因，從而構(gòu)建出對(duì)各類致病感染具有天然抵抗力的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。這種方法不僅經(jīng)濟(jì)高效，而且極大地減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，是邁向綠色、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要一步。
升級(jí)歷險(xiǎn)第三關(guān)：二倍體雜交育種突破馬鈴薯自交不親和與近交衰退障礙
市面上大多數(shù)馬鈴薯是四倍體栽培品種，馬鈴薯傳統(tǒng)的繁殖方式為克隆繁殖，該方式存在繁殖系數(shù)低、遺傳多樣性被限制的問題，且塊莖易攜帶病毒和害蟲，使得馬鈴薯在遺傳育種和品種改良上充滿了挑戰(zhàn)。
因此，篩選和鑒定優(yōu)良的二倍體馬鈴薯種質(zhì)，并開發(fā)通過自交系雜交將馬鈴薯從塊莖繁殖的四倍體作物轉(zhuǎn)化為種子繁殖的二倍體作物的雜交馬鈴薯育種體系是近年來馬鈴薯繁殖的研究重點(diǎn)。
馬鈴薯的克隆繁殖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
盡管自然界中約70%的野生馬鈴薯種質(zhì)資源呈現(xiàn)為二倍體形態(tài)，但實(shí)現(xiàn)其二倍體雜交育種卻面臨重重挑戰(zhàn)。這主要?dú)w因于天然二倍體馬鈴薯種質(zhì)所固有的自交不親和性和近交衰退性，它們成為開發(fā)高純度、優(yōu)良自交系的主要障礙。
自交不親和性，即顯花植物雖具備正常的雌雄兩性機(jī)能，卻無法完成自花授粉或同一品系內(nèi)異花粉授粉的現(xiàn)象。近年來，科研人員以金魚草和矮牽牛等植物為模型，深入揭示了馬鈴薯自交不親和性的分子機(jī)制，為打破二倍體馬鈴薯自交不親和的局限奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
此外，科研人員還將比較基因組學(xué)方法與先進(jìn)的基因組編輯技術(shù)相融合，成功鑒定出野生馬鈴薯中能夠控制自交親和性狀的自然突變基因-S-RNase和Sli基因，且通過克隆花粉中Sli 基因，打破二倍體馬鈴薯的自交不親和性。
另一方面，近交衰退現(xiàn)象，即生物能自花授粉，但后代出現(xiàn)生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低的現(xiàn)象，也是馬鈴薯繁殖中亟待解決的一大難題。近年來，科研人員在二倍體馬鈴薯的多樣性組中鑒定出了導(dǎo)致近交衰退的有害突變，為識(shí)別功能位點(diǎn)及消除有害突變提供了新的線索。
然而，由于這些有害突變嵌入在馬鈴薯的兩種單倍型中，無法通過簡(jiǎn)單的重組方式完全消除。因此，未來面臨的挑戰(zhàn)在于如何運(yùn)用基因選擇、設(shè)計(jì)及消除有害突變的技術(shù)手段，克服近交衰退，最終獲得具有基因組信息的自交系優(yōu)良純種。
盡管基因工程技術(shù)在馬鈴薯雜交育種領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，但它已然標(biāo)志著馬鈴薯性狀改良領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。隨著馬鈴薯基因組測(cè)序工作的不斷深入以及基因編輯技術(shù)的日益精進(jìn)，我們滿懷期待，馬鈴薯的遺傳改良將步入一個(gè)精準(zhǔn)育種與快速迭代的全新時(shí)代。
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作者：黃麗君（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所 研究實(shí)習(xí)員）
策劃：武玥彤 謝蕓
審核專家：朱熙（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所副研究員）
支持單位：中國熱帶作物學(xué)會(huì)園藝專業(yè)委員會(huì)，廣東省南亞熱帶作物種質(zhì)資源圃
