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6月的(de)云南，马铃薯刚收了一季，新的(de)一季已经开(kai)始种了。
这是尚轶到云南的(de)第(di)7年，7年前，他举(ju)家从北京(jing)迁到云南，和众同事一起，开(kai)启了一场(chang)马铃薯杂交的(de)艰苦(ku)攻关。
马铃薯，又叫土豆、洋芋，是人(ren)类食物大家族中的(de)“新成员”，400多年前的(de)大航海中，西班牙人(ren)在南美洲的(de)安(an)第(di)斯山(shan)脉(mai)中，首(shou)次发现了马铃薯，并将它(ta)带到全球。
400多年中，这个生长在地下(xia)的(de)“土豆”，走遍(bian)全球，已经成为了人(ren)类消费量第(di)三(san)的(de)食物，仅(jin)次于(yu)水稻和小麦(mai)。
然而，和小麦(mai)、水稻相比，这个消费量第(di)三(san)的(de)大宗(zong)作物，一直没有攻克杂交的(de)难题，许多主(zhu)栽的(de)品种，还是几十年前乃至100多年前育成的(de)。
云南是马铃薯育种的(de)天选之地，这里气候复杂，一年四季都(dou)可以种植(zhi)。
在田(tian)间(jian)，尚轶所在的(de)黄三(san)文院士团队，每年都(dou)要种植(zhi)几十万株(zhu)马铃薯，寻找一株(zhu)特殊的(de)马铃薯。回到实验室，他们又深入马铃薯的(de)基因之中，穿越亿(yi)万年历史，重新找回人(ren)类驯化中丢失的(de)能力(li)。
2022年7月，尚轶（左三(san)）和学生在基地温室查(cha)看材料(liao)生长情况。受访者供图(tu)
全营养作物，一度消失的(de)能力(li)
马铃薯是全营养作物，它(ta)含(han)有人(ren)类所需的(de)绝大部分营养元素，这意味着(zhe)，在某些特定情况下(xia)，仅(jin)吃马铃薯，就(jiu)能够维系人(ren)基本的(de)生存。
马铃薯还是最容(rong)易(yi)种植(zhi)的(de)作物之一，具有耐旱、耐寒、耐贫瘠等多种能力(li)，可以在最贫瘠的(de)土地上种植(zhi)，只要有一点儿雨水，就(jiu)能够存活，生产出供人(ren)们饱腹的(de)食物。
因此，当它(ta)走出南美洲的(de)大山(shan)，走向世界的(de)时候，许许多多的(de)地方因它(ta)而改变(bian)，400多年后，全球已经有13亿(yi)人(ren)以马铃薯为主(zhu)食。
“和其他粮食作物相比，马铃薯兼具粮用、菜用、饲用等多重功能，因此也被开(kai)发出更(geng)加复杂的(de)产业链(lian)条，在欧美国家，马铃薯产业发达，产品多样，在历史上，不少(shao)地方甚(shen)至只种植(zhi)马铃薯。”
马铃薯以块茎(jing)繁殖，这是一种无性繁殖的(de)方式，在培育中，人(ren)们发现，这种方式更(geng)容(rong)易(yi)获得品质(zhi)一致的(de)产品，因为每一个，理论上都(dou)是上一个的(de)克隆体(ti)。其实，马铃薯的(de)种子也可以繁殖，但(dan)原始的(de)种子，繁殖的(de)后代会出现性状分离(li)，可能会结(jie)出千奇百怪的(de)马铃薯，不具备商业化的(de)条件。
“块茎(jing)繁殖更(geng)稳定、一致性更(geng)好，当育种家们发现品质(zhi)更(geng)好的(de)马铃薯时，它(ta)的(de)克隆体(ti)就(jiu)会快速传遍(bian)全球。然而，这也埋下(xia)了隐患，对马铃薯来说，在全球传播中，失去的(de)不仅(jin)是种子繁衍的(de)能力(li)，也失去了多样性，变(bian)得更(geng)加脆弱。”尚轶说。
如果全世界只种一种马铃薯，会出现怎(zen)样的(de)情况呢？1845年至1850年，位于(yu)欧洲的(de)爱(ai)尔兰，曾经暴发严重的(de)马铃薯晚疫(yi)病，难以遏制(zhi)，而当地几乎(hu)全部种植(zhi)马铃薯，这导致了严重饥荒，5年间(jian)，爱(ai)尔兰人(ren)口(kou)减少(shao)了四分之一，有数据显示，百万人(ren)在这场(chang)饥荒中饿死。
品种迭(die)代中，马铃薯进展缓(huan)慢
进入现代，农业科技发生了革命性的(de)变(bian)化，杂交育种等技术，使(shi)得品种的(de)更(geng)新和迭(die)代越来越快，比如小麦(mai)，在经历了绿色革命之后，产量快速上升，从亩产100多公斤，到如今，高产纪录超过七八(ba)百公斤，几乎(hu)每两三(san)年，其品种就(jiu)会更(geng)新一次，玉米、水稻等也是如此。
然而，马铃薯品种的(de)更(geng)新似乎(hu)停滞了。当前全球的(de)主(zhu)栽品种中，许多还是几十年前育成的(de)，其中一种主(zhu)要用来做薯条的(de)马铃薯，甚(shen)至是120年前育成的(de)。
120年中，马铃薯的(de)产量、品质(zhi)当然会提高，但(dan)遗传育种的(de)贡献(xian)并不大，更(geng)多来自于(yu)灌溉、肥(fei)料(liao)、病虫害防治等各种因素的(de)进步。
块茎(jing)繁殖的(de)模式，还带来了许多问(wen)题，比如种植(zhi)成本更(geng)高，一颗(ke)马铃薯，切块后种植(zhi)，一般只能收获10多个马铃薯，繁殖系数很低，只有1：10左右，而一粒小麦(mai)，可以繁殖出数百粒小麦(mai)。块茎(jing)的(de)保存、运输(shu)成本也更(geng)高，这也使(shi)得农民种植(zhi)马铃薯的(de)收益变(bian)低。
“更(geng)重要的(de)是，块茎(jing)繁殖的(de)模式，使(shi)得马铃薯容(rong)易(yi)积累对生长不利(li)的(de)‘病毒’，这些藏在块茎(jing)中的(de)‘病毒’对人(ren)无害，但(dan)却(que)会严重影响马铃薯的(de)生长。当前普遍(bian)采取的(de)方式，是生产脱毒种薯，即用马铃薯茎(jing)尖(jian)培育新的(de)马铃薯，尽可能减少(shao)病毒的(de)积累，不过，这也意味着(zhe)更(geng)高的(de)生产成本，”黄三(san)文说，“几十年来，全球科学家都(dou)在想办法攻克马铃薯杂交的(de)难题，但(dan)效果并不明显。”
杂交马铃薯，开(kai)启一场(chang)新变(bian)革
能不能像小麦(mai)、水稻一样，把马铃薯变(bian)成种子繁殖？并且(qie)利(li)用杂交育种的(de)技术，获得杂种优势，降低成本，提高产量呢？
2015年，中国科学院院士黄三(san)文和他的(de)团队开(kai)启了这场(chang)马铃薯杂交育种的(de)科技攻关，尚轶也是其中一员。
马铃薯是四倍体(ti)，这意味着(zhe)，马铃薯中有四套基因组，排列组合的(de)可能性更(geng)多，杂交选育的(de)难度也更(geng)大。尚轶告诉记(ji)者，要想实现杂交，首(shou)先要有一个高纯度的(de)自交系，但(dan)马铃薯存在自交不亲和、自交衰退两大特性。
如果能够揭开(kai)马铃薯杂交的(de)难题，无疑是数百年栽培史中最重要的(de)变(bian)革之一。
对团队来说，现代生物学技术，给他们带来了新的(de)工具，团队利(li)用最新的(de)基因组技术和工具，拼接了马铃薯双单(dan)倍体(ti)、二(er)倍体(ti)和四倍体(ti)及泛基因组，并彻底打(da)破自交不亲和的(de)问(wen)题，使(shi)二(er)倍体(ti)马铃薯可以自交，产生成熟的(de)后代。初步解(jie)析了自交衰退的(de)遗传基础，通过剔除(chu)极(ji)大效应(ying)有害突变(bian)，培育出第(di)一代自交系材料(liao)及杂交种。
解(jie)析自交不亲和这个过程，用了4年。尚轶介(jie)绍，在过去，科学家们猜想，自交不亲和之所以难以解(jie)决，是因为控制(zhi)自交不亲和的(de)基因，和另外一个致死的(de)基因连锁在一起，如果敲(qiao)除(chu)了影响自交亲和的(de)基因，就(jiu)会产生连锁反应(ying)，导致马铃薯死亡。但(dan)经过基因鉴(jian)定，他们发现，以前的(de)猜想并不准确(que)。也正是这一发现，使(shi)得克隆自交不亲和基因成为可能。
解(jie)决了自交不亲和问(wen)题，接着(zhe)需要解(jie)决的(de)是马铃薯自交衰退的(de)问(wen)题。自交衰退普遍(bian)存在于(yu)自然界，“就(jiu)好像近亲结(jie)婚，后代会出现各种各样的(de)问(wen)题，且(qie)一代比一代严重，”尚轶说，“在过去，育种家们通过选择那些长势较好的(de)后代继续(xu)育种，而新的(de)技术，可以让我们在大样本中种植(zhi)和选择，鉴(jian)定出控制(zhi)衰退的(de)基因，找到解(jie)决自交衰退的(de)方法。”
2023年10月，中国科学院院士黄三(san)文在温室观察马铃薯生长情况。受访者供图(tu)
穿约亿(yi)万年，寻找丢失的(de)基因
自交衰退的(de)原因，主(zhu)要是作物基因组中对作物有害的(de)突变(bian)引起的(de)。而要解(jie)决自交衰退的(de)问(wen)题，就(jiu)要知道有哪些有害突变(bian)，它(ta)们在哪里？有害程度有多高？又是怎(zen)样出现有害作用的(de)？
利(li)于(yu)现代技术，团队科学家在前期(qi)鉴(jian)定出了一批有害突变(bian)，并在育种时剔除(chu)，这并不算特别难，难处在于(yu)，许多有害突变(bian)的(de)效应(ying)并不明显，甚(shen)至是“隐形”的(de)，如何才能真正找到控制(zhi)有害突变(bian)的(de)因素，从根本上解(jie)决有害突变(bian)的(de)问(wen)题，才是这场(chang)攻关中的(de)真正难题。
为了找到有害突变(bian)的(de)根源，团队设计了一个新的(de)计划(hua)，利(li)用进化基因组学技术，穿越历史，在漫长的(de)历史长河中，寻找突变(bian)的(de)源头和脉(mai)络，从而找到解(jie)决的(de)办法。
马铃薯是典(dian)型的(de)茄(qie)科植(zhi)物，和西红柿、茄(qie)子、辣(la)椒(jiao)等同科，事实上，马铃薯的(de)果实，就(jiu)像一个微型的(de)西红柿。
那么，这些同属茄(qie)科的(de)植(zhi)物中，是否在漫长的(de)演(yan)化中，也有过类似的(de)经历呢？或者它(ta)们之间(jian)的(de)不同，又是怎(zen)样产生的(de)呢？此外，和马铃薯很像的(de)红薯，尽管不是茄(qie)科，但(dan)它(ta)所属的(de)旋花科，和茄(qie)科同属于(yu)管状花目，它(ta)们之间(jian)又有怎(zen)样的(de)关系呢？
在计划(hua)中，团队收集了100份茄(qie)科和旋花科的(de)材料(liao)，利(li)用基因组测(ce)序技术，绘制(zhi)了每一种材料(liao)的(de)进化树，其中最长的(de)相当于(yu)进化了八(ba)千万年，100份材料(liao)总进化时间(jian)为十二(er)亿(yi)年。
漫长历史中，生物的(de)进化看似难以理解(jie)，但(dan)实际上，秘密都(dou)藏在基因中，基因记(ji)录了每一次变(bian)化的(de)过程和结(jie)果，因此，透过漫长的(de)历史，就(jiu)可以清晰地照见(jian)曾经发生过的(de)一切，黄三(san)文称之为“历史透镜”。
如何用这面(mian)“历史透镜”观察马铃薯的(de)演(yan)化史呢？团队科学家们选择了一个特殊的(de)角度去观察，即基因位点的(de)保守性，简单(dan)说，就(jiu)是寻找那些亿(yi)万年没有变(bian)过的(de)基因位点，这些没有变(bian)的(de)位点，无疑有着(zhe)各种不可或缺的(de)功能，如果它(ta)们发生突变(bian)，往往会对作物本身产生巨大的(de)不利(li)影响。也就(jiu)是说，那些本来不该(gai)变(bian)的(de)基因发生了变(bian)异，往往就(jiu)意味着(zhe)疾病、退化甚(shen)至死亡等不利(li)的(de)结(jie)果。
“由此，我们构建了一个新的(de)图(tu)谱，即有害突变(bian)的(de)二(er)维图(tu)谱，二(er)维，是指(zhi)基因本身的(de)信(xin)息(xi)和保守值(zhi)（突变(bian)后有害程度）两个维度。” 黄三(san)文介(jie)绍。
2023年12月，黄三(san)文（右一）与张(zhang)春芝研究员（左一）、程旭研究员（左二(er)）在云南省(sheng)德宏(hong)试验田(tian)合影观测(ce)马铃薯出芽情况。受访者供图(tu)
在彩云之南，种下(xia)无数株(zhu)马铃薯
育种需要合适的(de)环境，在北方，马铃薯一般一年只种一季，最多两季，而杂交育种本身，需要一代又一代地不断(duan)选择，因此，科学家们会选择合适的(de)环境，去加代种植(zhi)，在水稻、玉米等育种中，位于(yu)热带的(de)海南，成为育种家们选择加代种植(zhi)的(de)地方，当地的(de)环境，可以让水稻等作物每年多种一代，这也意味着(zhe)多了一代选择的(de)时间(jian)。
最适合马铃薯加代种植(zhi)的(de)，则是云南，云南气候复杂，从热带气候到温带气候都(dou)有，可以实现一年四季种植(zhi)马铃薯。
2017年，尚轶带着(zhe)全家人(ren)，从北京(jing)出发，一路南下(xia)，在云南定居，开(kai)启了马铃薯育种的(de)实验，他们与云南各州市农科院建立了友(you)好合作关系，利(li)用他们的(de)众多实验基地保障一年中任何时候，都(dou)有马铃薯在地里生长，这也是短短几年中，马铃薯杂交育种技术得以突破的(de)重要因素。
从北京(jing)到云南，改变(bian)是全方位的(de)，家人(ren)的(de)工作，孩子的(de)学业等，都(dou)经历着(zhe)天翻(fan)地覆的(de)变(bian)化，而同样常住云南的(de)尚轶，没有太多时间(jian)照顾(gu)家里。
遍(bian)布云南的(de)实验基地中，常年种植(zhi)着(zhe)数十万株(zhu)马铃薯。要在这么大规模的(de)样本中，选择合适育种的(de)材料(liao)，不仅(jin)需要艰辛的(de)田(tian)间(jian)劳作，还需要卓越的(de)策(ce)略，以及一点儿运气。
事实上，通过生物学技术的(de)辅助，团队选择了一个反直觉的(de)策(ce)略，即选择那些看起来较弱的(de)材料(liao)，而不是像常规的(de)杂交育种一样，选择更(geng)强壮的(de)材料(liao)。
团队的(de)科学家们发现，更(geng)壮的(de)植(zhi)株(zhu)，携带的(de)有害变(bian)化就(jiu)更(geng)多，传给后代的(de)有害变(bian)化也就(jiu)更(geng)多，而弱一点儿的(de)，反而携带的(de)有害变(bian)化少(shao)，传给后代的(de)也少(shao)，这样的(de)选择，依赖于(yu)现代技术的(de)辅助和指(zhi)导，仅(jin)凭经验和感觉，是不可能作出这样的(de)选择的(de)。
对研究团队来说，新的(de)育种技术下(xia)，实验室的(de)工作和田(tian)间(jian)的(de)工作，几乎(hu)同样繁重，通过长时间(jian)大样本的(de)筛选，以及对马铃薯基因的(de)深入鉴(jian)定，团队找到了37万个有害突变(bian)，这些有害突变(bian)，只有三(san)分之一是以前就(jiu)知道的(de)，三(san)分之二(er)是新发现的(de)。
2024年3月，法国科学院院士Lucas教授与尚轶（右二(er)）在晋宁区(qu)甸头村马铃薯科技小院查(cha)看材料(liao)生长情况。受访者供图(tu)
从一粒种子，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(de)难关也就(jiu)被攻克了。
2021年，利(li)用杂交技术，一个概(gai)念性品种育成了，团队将它(ta)命名为“优薯1号”，这是一种黄心(xin)土豆，胡萝卜素含(han)量极(ji)高，品质(zhi)很高，亩产大约为常规品种的(de)50%到80%。
之所以成为概(gai)念性品种，是因为它(ta)代表了马铃薯杂交技术路径的(de)真正实现，尚轶介(jie)绍，“这个品种的(de)育成，证明了我们的(de)技术路线是有效的(de)，马铃薯杂交是可以实现的(de)。所以叫概(gai)念性品种。”
杂交马铃薯的(de)成功，意味着(zhe)未来的(de)马铃薯种植(zhi)中，不再需要依靠(kao)块茎(jing)种植(zhi)，而是可以像小麦(mai)、水稻一样，用种子种植(zhi)。
马铃薯种子非常小，种1亩地，只需要3-5克种子，而用块茎(jing)种植(zhi)，则需要数百斤，成本的(de)大幅度降低将是可预期(qi)的(de)，而这个未来，可能并不遥远。
“杂交水稻改变(bian)了世界，我们借助现代技术，用了近10年时间(jian)，攻克了马铃薯杂交这个难题，也希望能更(geng)快将新技术变(bian)成真正的(de)产品，为未来人(ren)类的(de)食物和营养，提供新的(de)帮助，也让世界上无数以种植(zhi)马铃薯为生的(de)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(de)育种攻关依然在进行，“优薯1号”是一次突破性的(de)成果，但(dan)距离(li)产业化、市场(chang)化还有距离(li)，更(geng)多的(de)工作还等着(zhe)黄三(san)文院士团队所有的(de)研究人(ren)员。
“马铃薯是全营养作物，营养丰富，足以提供人(ren)体(ti)所需的(de)营养，但(dan)在我国，加工产业起步较晚，有非常大的(de)发展空间(jian)，而随着(zhe)马铃薯杂交技术的(de)攻克，未来必然会有更(geng)大的(de)市场(chang)，进行马铃薯全产业链(lian)相关技术的(de)研发，已经是必须要做的(de)事情了。”尚轶说。
新京(jing)报首(shou)席记(ji)者 周怀(huai)宗(zong)
编辑 唐峥 校对 赵琳