光明网：基因工程技术助力马铃薯产量品质双升级
作者：黄丽君
来源：南亚热带作物研究所
日期：2025-01-07
马铃薯（solanum tuberosum l.）是茄科植物家族的一员，又称地蛋、山药豆、山药蛋、荷兰薯、土豆、洋芋、地豆、阳芋等。
通常人们将马铃薯的块茎作为食用部分，其块茎不仅富含淀粉与优质蛋白，还蕴藏丰富的膳食纤维、多种维生素及矿物质，并含有多种生物活性化合物，如类胡萝卜素、花青素、酚类及类黄酮，营养价值极高。
作为全球仅次于水稻与小麦的第三大粮食作物，马铃薯在保障粮食供应、缓解区域饥饿、促进减贫及强化粮食安全方面扮演着举足轻重的角色。
马铃薯新品种选育基地
近年来，随着基因编辑育种、转基因育种及二倍体杂交育种等生物技术的兴起，马铃薯的育种工作取得了显著进展，有效提升了块茎的品质与产量。
特别是基因工程技术，通过精准整合外源基因至马铃薯基因组，实现靶向遗传修饰而保持整体遗传稳定性，成功突破了传统育种的局限。例如，crispr/cas9基因组编辑技术已应用于马铃薯，以调整块茎淀粉成分、增强生物胁迫抵抗力，并解决自交不亲和问题，展现出巨大的应用潜力。
马铃薯开花
升级挑战第一关：基因编辑技术重塑马铃薯淀粉构成
马铃薯是食品和工业应用淀粉的重要来源，约由20-30%直链淀粉和70-80%支链淀粉组成，在不同的品种中两者的比例有所偏差，但通常为1：4。不同的淀粉比例会影响其物理和化学性质，从而影响不同品种的适用性。
科学家利用crispr/cas系统介导的基因组编辑技术可改变马铃薯中的淀粉组成，以用于各种应用。
含支链淀粉比例高的马铃薯，凭借其突出的粘合性能，在造纸工业中担任粘合剂角色，同时在食品领域作为增稠剂、膨胀剂或涂层剂大放异彩。
富含直链淀粉和抗消化淀粉的马铃薯不仅展现出较好的耐消化特性，还能有效助力热量控制、降低胰岛素反应，对促进肠道健康具有积极意义。因此，这类马铃薯品种有望成为新一代健康食品的优选，满足市场对营养与健康的双重追求。
两种淀粉的组成结构（图片来源于网络）
升级历险第二关：转基因技术赋能马铃薯生物胁迫防御
马铃薯的种植之旅中，面临着由卵菌诱发的早疫病与晚疫病、细菌引发的细菌性枯萎病和环腐病，以及多种病毒与类病毒的侵袭，构成了三大生物胁迫的严峻挑战。
传统上，我们依赖杀真菌剂来对抗晚疫病，利用杀虫剂减少病媒数量以预防病毒扩散，然而，这些化学手段的使用往往伴随着环境污染的风险。
面对这一困境，科学家转向更为先进且可持续的凯发一触即发的解决方案：通过精确地敲除易感基因，并巧妙地插入能够促进有益代谢物生成的基因，从而构建出对各类致病感染具有天然抵抗力的转基因马铃薯。这种方法不仅经济高效，而且极大地减少了对环境的负担，是迈向绿色、可持续农业的重要一步。
升级历险第三关：二倍体杂交育种突破马铃薯自交不亲和与近交衰退障碍
市面上大多数马铃薯是四倍体栽培品种，马铃薯传统的繁殖方式为克隆繁殖，该方式存在繁殖系数低、遗传多样性被限制的问题，且块茎易携带病毒和害虫，使得马铃薯在遗传育种和品种改良上充满了挑战。
因此，筛选和鉴定优良的二倍体马铃薯种质，并开发通过自交系杂交将马铃薯从块茎繁殖的四倍体作物转化为种子繁殖的二倍体作物的杂交马铃薯育种体系是近年来马铃薯繁殖的研究重点。
马铃薯的克隆繁殖（图片来源于网络）
尽管自然界中约70%的野生马铃薯种质资源呈现为二倍体形态，但实现其二倍体杂交育种却面临重重挑战。这主要归因于天然二倍体马铃薯种质所固有的自交不亲和性和近交衰退性，它们成为开发高纯度、优良自交系的主要障碍。
自交不亲和性，即显花植物虽具备正常的雌雄两性机能，却无法完成自花授粉或同一品系内异花粉授粉的现象。近年来，科研人员以金鱼草和矮牵牛等植物为模型，深入揭示了马铃薯自交不亲和性的分子机制，为打破二倍体马铃薯自交不亲和的局限奠定了坚实的理论基础。
此外，科研人员还将比较基因组学方法与先进的基因组编辑技术相融合，成功鉴定出野生马铃薯中能够控制自交亲和性状的自然突变基因-s-rnase和sli基因，且通过克隆花粉中sli 基因，打破二倍体马铃薯的自交不亲和性。
另一方面，近交衰退现象，即生物能自花授粉，但后代出现生活力下降、抗性减弱、产量降低的现象，也是马铃薯繁殖中亟待解决的一大难题。近年来，科研人员在二倍体马铃薯的多样性组中鉴定出了导致近交衰退的有害突变，为识别功能位点及消除有害突变提供了新的线索。
然而，由于这些有害突变嵌入在马铃薯的两种单倍型中，无法通过简单的重组方式完全消除。因此，未来面临的挑战在于如何运用基因选择、设计及消除有害突变的技术手段，克服近交衰退，最终获得具有基因组信息的自交系优良纯种。
尽管基因工程技术在马铃薯杂交育种领域的应用尚处于初级阶段，但它已然标志着马铃薯性状改良领域的一项重大突破。随着马铃薯基因组测序工作的不断深入以及基因编辑技术的日益精进，我们满怀期待，马铃薯的遗传改良将步入一个精准育种与快速迭代的全新时代。
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