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6月的云南，马铃薯刚收了(le)一季，新(xin)的一季已经开始种(zhong)了(le)。
这是尚轶到云南的第7年，7年前，他举家从北(bei)京迁到云南，和众同事一起，开启了(le)一场马铃薯杂交的艰(jian)苦(ku)攻关。
马铃薯，又叫土豆、洋芋，是人类食物大家族(zu)中的“新(xin)成(cheng)员”，400多年前的大航海中，西班牙人在南美(mei)洲(zhou)的安第斯山脉中，首次(ci)发现了(le)马铃薯，并将它带到全球。
400多年中，这个生长在地下的“土豆”，走遍全球，已经成(cheng)为了(le)人类消(xiao)费量第三的食物，仅次(ci)于水稻(dao)和小麦(mai)。
然而(er)，和小麦(mai)、水稻(dao)相比(bi)，这个消(xiao)费量第三的大宗作(zuo)物，一直没有(you)攻克杂交的难题，许多主栽的品种(zhong)，还(hai)是几十年前乃至100多年前育成(cheng)的。
云南是马铃薯育种(zhong)的天选之地，这里气候复杂，一年四季都可以种(zhong)植。
在田间，尚轶所(suo)在的黄三文院士团队，每(mei)年都要种(zhong)植几十万株马铃薯，寻找一株特(te)殊的马铃薯。回(hui)到实验室，他们又深入马铃薯的基(ji)因之中，穿(chuan)越亿万年历(li)史，重新(xin)找回(hui)人类驯化中丢失的能力。
2022年7月，尚轶（左三）和学生在基(ji)地温室查看材料生长情况。受(shou)访(fang)者供图
全营养作(zuo)物，一度消(xiao)失的能力
马铃薯是全营养作(zuo)物，它含有(you)人类所(suo)需的绝大部分营养元(yuan)素，这意味着(zhe)，在某(mou)些特(te)定情况下，仅吃马铃薯，就能够维系人基(ji)本(ben)的生存。
马铃薯还(hai)是最容(rong)易种(zhong)植的作(zuo)物之一，具有(you)耐旱、耐寒、耐贫瘠等多种(zhong)能力，可以在最贫瘠的土地上种(zhong)植，只要有(you)一点儿雨水，就能够存活，生产出供人们饱腹的食物。
因此，当它走出南美(mei)洲(zhou)的大山，走向世界的时候，许许多多的地方因它而(er)改变，400多年后，全球已经有(you)13亿人以马铃薯为主食。
“和其他粮食作(zuo)物相比(bi)，马铃薯兼具粮用、菜(cai)用、饲用等多重功能，因此也(ye)被开发出更(geng)加复杂的产业链条，在欧美(mei)国家，马铃薯产业发达(da)，产品多样，在历(li)史上，不少地方甚至只种(zhong)植马铃薯。”
马铃薯以块茎繁殖，这是一种(zhong)无性繁殖的方式，在培育中，人们发现，这种(zhong)方式更(geng)容(rong)易获得品质一致的产品，因为每(mei)一个，理论(lun)上都是上一个的克隆体。其实，马铃薯的种(zhong)子也(ye)可以繁殖，但原始的种(zhong)子，繁殖的后代会出现性状(zhuang)分离，可能会结出千(qian)奇百(bai)怪的马铃薯，不具备商业化的条件。
“块茎繁殖更(geng)稳定、一致性更(geng)好，当育种(zhong)家们发现品质更(geng)好的马铃薯时，它的克隆体就会快速(su)传(chuan)遍全球。然而(er)，这也(ye)埋下了(le)隐患，对马铃薯来说，在全球传(chuan)播(bo)中，失去的不仅是种(zhong)子繁衍的能力，也(ye)失去了(le)多样性，变得更(geng)加脆弱。”尚轶说。
如果全世界只种(zhong)一种(zhong)马铃薯，会出现怎样的情况呢？1845年至1850年，位于欧洲(zhou)的爱尔兰，曾经暴发严重的马铃薯晚(wan)疫病，难以遏(e)制，而(er)当地几乎全部种(zhong)植马铃薯，这导致了(le)严重饥荒，5年间，爱尔兰人口(kou)减少了(le)四分之一，有(you)数据显示(shi)，百(bai)万人在这场饥荒中饿(e)死。
品种(zhong)迭代中，马铃薯进展缓慢
进入现代，农业科技发生了(le)革命性的变化，杂交育种(zhong)等技术，使得品种(zhong)的更(geng)新(xin)和迭代越来越快，比(bi)如小麦(mai)，在经历(li)了(le)绿色革命之后，产量快速(su)上升，从亩(mu)产100多公斤，到如今，高产纪录超过七八百(bai)公斤，几乎每(mei)两三年，其品种(zhong)就会更(geng)新(xin)一次(ci)，玉米、水稻(dao)等也(ye)是如此。
然而(er)，马铃薯品种(zhong)的更(geng)新(xin)似乎停滞了(le)。当前全球的主栽品种(zhong)中，许多还(hai)是几十年前育成(cheng)的，其中一种(zhong)主要用来做薯条的马铃薯，甚至是120年前育成(cheng)的。
120年中，马铃薯的产量、品质当然会提高，但遗传(chuan)育种(zhong)的贡献并不大，更(geng)多来自于灌溉、肥料、病虫害防治等各种(zhong)因素的进步。
块茎繁殖的模(mo)式，还(hai)带来了(le)许多问题，比(bi)如种(zhong)植成(cheng)本(ben)更(geng)高，一颗马铃薯，切(qie)块后种(zhong)植，一般只能收获10多个马铃薯，繁殖系数很低，只有(you)1：10左右(you)，而(er)一粒小麦(mai)，可以繁殖出数百(bai)粒小麦(mai)。块茎的保(bao)存、运输成(cheng)本(ben)也(ye)更(geng)高，这也(ye)使得农民种(zhong)植马铃薯的收益变低。
“更(geng)重要的是，块茎繁殖的模(mo)式，使得马铃薯容(rong)易积(ji)累对生长不利(li)的‘病毒’，这些藏在块茎中的‘病毒’对人无害，但却会严重影响马铃薯的生长。当前普遍采取的方式，是生产脱毒种(zhong)薯，即用马铃薯茎尖培育新(xin)的马铃薯，尽可能减少病毒的积(ji)累，不过，这也(ye)意味着(zhe)更(geng)高的生产成(cheng)本(ben)，”黄三文说，“几十年来，全球科学家都在想办法攻克马铃薯杂交的难题，但效果并不明显。”
杂交马铃薯，开启一场新(xin)变革
能不能像小麦(mai)、水稻(dao)一样，把(ba)马铃薯变成(cheng)种(zhong)子繁殖？并且利(li)用杂交育种(zhong)的技术，获得杂种(zhong)优势(shi)，降低成(cheng)本(ben)，提高产量呢？
2015年，中国科学院院士黄三文和他的团队开启了(le)这场马铃薯杂交育种(zhong)的科技攻关，尚轶也(ye)是其中一员。
马铃薯是四倍体，这意味着(zhe)，马铃薯中有(you)四套基(ji)因组，排列组合的可能性更(geng)多，杂交选育的难度也(ye)更(geng)大。尚轶告诉记者，要想实现杂交，首先要有(you)一个高纯度的自交系，但马铃薯存在自交不亲和、自交衰退两大特(te)性。
如果能够揭开马铃薯杂交的难题，无疑是数百(bai)年栽培史中最重要的变革之一。
对团队来说，现代生物学技术，给他们带来了(le)新(xin)的工具，团队利(li)用最新(xin)的基(ji)因组技术和工具，拼接了(le)马铃薯双(shuang)单倍体、二倍体和四倍体及泛基(ji)因组，并彻底打破自交不亲和的问题，使二倍体马铃薯可以自交，产生成(cheng)熟的后代。初步解(jie)析了(le)自交衰退的遗传(chuan)基(ji)础，通(tong)过剔除极大效应有(you)害突变，培育出第一代自交系材料及杂交种(zhong)。
解(jie)析自交不亲和这个过程，用了(le)4年。尚轶介绍，在过去，科学家们猜想，自交不亲和之所(suo)以难以解(jie)决，是因为控制自交不亲和的基(ji)因，和另外一个致死的基(ji)因连锁在一起，如果敲除了(le)影响自交亲和的基(ji)因，就会产生连锁反应，导致马铃薯死亡。但经过基(ji)因鉴定，他们发现，以前的猜想并不准确。也(ye)正是这一发现，使得克隆自交不亲和基(ji)因成(cheng)为可能。
解(jie)决了(le)自交不亲和问题，接着(zhe)需要解(jie)决的是马铃薯自交衰退的问题。自交衰退普遍存在于自然界，“就好像近亲结婚，后代会出现各种(zhong)各样的问题，且一代比(bi)一代严重，”尚轶说，“在过去，育种(zhong)家们通(tong)过选择那些长势(shi)较好的后代继续育种(zhong)，而(er)新(xin)的技术，可以让我们在大样本(ben)中种(zhong)植和选择，鉴定出控制衰退的基(ji)因，找到解(jie)决自交衰退的方法。”
2023年10月，中国科学院院士黄三文在温室观(guan)察(cha)马铃薯生长情况。受(shou)访(fang)者供图
穿(chuan)约亿万年，寻找丢失的基(ji)因
自交衰退的原因，主要是作(zuo)物基(ji)因组中对作(zuo)物有(you)害的突变引起的。而(er)要解(jie)决自交衰退的问题，就要知道有(you)哪些有(you)害突变，它们在哪里？有(you)害程度有(you)多高？又是怎样出现有(you)害作(zuo)用的？
利(li)于现代技术，团队科学家在前期(qi)鉴定出了(le)一批有(you)害突变，并在育种(zhong)时剔除，这并不算特(te)别难，难处在于，许多有(you)害突变的效应并不明显，甚至是“隐形”的，如何才能真正找到控制有(you)害突变的因素，从根本(ben)上解(jie)决有(you)害突变的问题，才是这场攻关中的真正难题。
为了(le)找到有(you)害突变的根源，团队设计了(le)一个新(xin)的计划(hua)，利(li)用进化基(ji)因组学技术，穿(chuan)越历(li)史，在漫长的历(li)史长河中，寻找突变的源头(tou)和脉络，从而(er)找到解(jie)决的办法。
马铃薯是典型的茄科植物，和西红(hong)柿、茄子、辣椒等同科，事实上，马铃薯的果实，就像一个微型的西红(hong)柿。
那么，这些同属茄科的植物中，是否在漫长的演(yan)化中，也(ye)有(you)过类似的经历(li)呢？或者它们之间的不同，又是怎样产生的呢？此外，和马铃薯很像的红(hong)薯，尽管不是茄科，但它所(suo)属的旋花科，和茄科同属于管状(zhuang)花目，它们之间又有(you)怎样的关系呢？
在计划(hua)中，团队收集了(le)100份茄科和旋花科的材料，利(li)用基(ji)因组测序(xu)技术，绘(hui)制了(le)每(mei)一种(zhong)材料的进化树，其中最长的相当于进化了(le)八千(qian)万年，100份材料总进化时间为十二亿年。
漫长历(li)史中，生物的进化看似难以理解(jie)，但实际上，秘密都藏在基(ji)因中，基(ji)因记录了(le)每(mei)一次(ci)变化的过程和结果，因此，透过漫长的历(li)史，就可以清晰地照见曾经发生过的一切(qie)，黄三文称之为“历(li)史透镜”。
如何用这面“历(li)史透镜”观(guan)察(cha)马铃薯的演(yan)化史呢？团队科学家们选择了(le)一个特(te)殊的角度去观(guan)察(cha)，即基(ji)因位点的保(bao)守性，简单说，就是寻找那些亿万年没有(you)变过的基(ji)因位点，这些没有(you)变的位点，无疑有(you)着(zhe)各种(zhong)不可或缺的功能，如果它们发生突变，往往会对作(zuo)物本(ben)身(shen)产生巨大的不利(li)影响。也(ye)就是说，那些本(ben)来不该变的基(ji)因发生了(le)变异，往往就意味着(zhe)疾病、退化甚至死亡等不利(li)的结果。
“由(you)此，我们构建了(le)一个新(xin)的图谱，即有(you)害突变的二维图谱，二维，是指基(ji)因本(ben)身(shen)的信息和保(bao)守值（突变后有(you)害程度）两个维度。” 黄三文介绍。
2023年12月，黄三文（右(you)一）与张春芝研究员（左一）、程旭研究员（左二）在云南省德宏试验田合影观(guan)测马铃薯出芽情况。受(shou)访(fang)者供图
在彩云之南，种(zhong)下无数株马铃薯
育种(zhong)需要合适的环境(jing)，在北(bei)方，马铃薯一般一年只种(zhong)一季，最多两季，而(er)杂交育种(zhong)本(ben)身(shen)，需要一代又一代地不断选择，因此，科学家们会选择合适的环境(jing)，去加代种(zhong)植，在水稻(dao)、玉米等育种(zhong)中，位于热带的海南，成(cheng)为育种(zhong)家们选择加代种(zhong)植的地方，当地的环境(jing)，可以让水稻(dao)等作(zuo)物每(mei)年多种(zhong)一代，这也(ye)意味着(zhe)多了(le)一代选择的时间。
最适合马铃薯加代种(zhong)植的，则是云南，云南气候复杂，从热带气候到温带气候都有(you)，可以实现一年四季种(zhong)植马铃薯。
2017年，尚轶带着(zhe)全家人，从北(bei)京出发，一路(lu)南下，在云南定居，开启了(le)马铃薯育种(zhong)的实验，他们与云南各州市农科院建立了(le)友好合作(zuo)关系，利(li)用他们的众多实验基(ji)地保(bao)障一年中任何时候，都有(you)马铃薯在地里生长，这也(ye)是短短几年中，马铃薯杂交育种(zhong)技术得以突破的重要因素。
从北(bei)京到云南，改变是全方位的，家人的工作(zuo)，孩子的学业等，都经历(li)着(zhe)天翻地覆的变化，而(er)同样常住云南的尚轶，没有(you)太多时间照顾家里。
遍布云南的实验基(ji)地中，常年种(zhong)植着(zhe)数十万株马铃薯。要在这么大规模(mo)的样本(ben)中，选择合适育种(zhong)的材料，不仅需要艰(jian)辛的田间劳作(zuo)，还(hai)需要卓(zhuo)越的策略，以及一点儿运气。
事实上，通(tong)过生物学技术的辅助，团队选择了(le)一个反直觉的策略，即选择那些看起来较弱的材料，而(er)不是像常规的杂交育种(zhong)一样，选择更(geng)强壮的材料。
团队的科学家们发现，更(geng)壮的植株，携带的有(you)害变化就更(geng)多，传(chuan)给后代的有(you)害变化也(ye)就更(geng)多，而(er)弱一点儿的，反而(er)携带的有(you)害变化少，传(chuan)给后代的也(ye)少，这样的选择，依赖于现代技术的辅助和指导，仅凭经验和感觉，是不可能作(zuo)出这样的选择的。
对研究团队来说，新(xin)的育种(zhong)技术下，实验室的工作(zuo)和田间的工作(zuo)，几乎同样繁重，通(tong)过长时间大样本(ben)的筛选，以及对马铃薯基(ji)因的深入鉴定，团队找到了(le)37万个有(you)害突变，这些有(you)害突变，只有(you)三分之一是以前就知道的，三分之二是新(xin)发现的。
2024年3月，法国科学院院士Lucas教授与尚轶（右(you)二）在晋宁区甸头(tou)村马铃薯科技小院查看材料生长情况。受(shou)访(fang)者供图
从一粒种(zhong)子，到一个世界
当自交不亲和、自交衰退被解(jie)决后，马铃薯杂交最大的难关也(ye)就被攻克了(le)。
2021年，利(li)用杂交技术，一个概(gai)念性品种(zhong)育成(cheng)了(le)，团队将它命名为“优薯1号”，这是一种(zhong)黄心(xin)土豆，胡萝卜素含量极高，品质很高，亩(mu)产大约为常规品种(zhong)的50%到80%。
之所(suo)以成(cheng)为概(gai)念性品种(zhong)，是因为它代表(biao)了(le)马铃薯杂交技术路(lu)径的真正实现，尚轶介绍，“这个品种(zhong)的育成(cheng)，证明了(le)我们的技术路(lu)线是有(you)效的，马铃薯杂交是可以实现的。所(suo)以叫概(gai)念性品种(zhong)。”
杂交马铃薯的成(cheng)功，意味着(zhe)未来的马铃薯种(zhong)植中，不再需要依靠块茎种(zhong)植，而(er)是可以像小麦(mai)、水稻(dao)一样，用种(zhong)子种(zhong)植。
马铃薯种(zhong)子非常小，种(zhong)1亩(mu)地，只需要3-5克种(zhong)子，而(er)用块茎种(zhong)植，则需要数百(bai)斤，成(cheng)本(ben)的大幅度降低将是可预期(qi)的，而(er)这个未来，可能并不遥远。
“杂交水稻(dao)改变了(le)世界，我们借助现代技术，用了(le)近10年时间，攻克了(le)马铃薯杂交这个难题，也(ye)希望(wang)能更(geng)快将新(xin)技术变成(cheng)真正的产品，为未来人类的食物和营养，提供新(xin)的帮助，也(ye)让世界上无数以种(zhong)植马铃薯为生的农民，能够多一分收获。”尚轶说。
如今，尚轶已经在云南定居7年，马铃薯的育种(zhong)攻关依然在进行，“优薯1号”是一次(ci)突破性的成(cheng)果，但距(ju)离产业化、市场化还(hai)有(you)距(ju)离，更(geng)多的工作(zuo)还(hai)等着(zhe)黄三文院士团队所(suo)有(you)的研究人员。
“马铃薯是全营养作(zuo)物，营养丰(feng)富，足以提供人体所(suo)需的营养，但在我国，加工产业起步较晚(wan)，有(you)非常大的发展空(kong)间，而(er)随着(zhe)马铃薯杂交技术的攻克，未来必然会有(you)更(geng)大的市场，进行马铃薯全产业链相关技术的研发，已经是必须要做的事情了(le)。”尚轶说。
新(xin)京报首席记者 周怀宗
编辑 唐(tang)峥 校对 赵琳