中国农业科学院科研团队在Nat. Plants (Q1/13.6)发文,土豆杂交育种新范式,单株最高产 2.7kg,收获指数大幅提升
杂种优势利用是作物产量和品质改良的核心手段，水稻、玉米等自花授粉作物已通过雄性不育系实现杂交种的规模化生产，但马铃薯这类无性繁殖作物的杂交育种却面临两大难题：杂交制种成本高，且地上果实与地下块茎存在同化物竞争，严重影响块茎产量。近日，中国农业科学院农业基因组研究所等团队在《Nature Plants》发表研究，通过单倍体育种技术创制出自交不亲和的纯合二倍体马铃薯及杂交种，一举解决了上述痛点，实现了杂交马铃薯规模化、低成本制种，同时消除了地上结果，大幅提升收获指数，为无性繁殖作物的杂种优势利用开辟了全新范式。
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通讯作者及单位、邮箱Corresponding author: Chunzhi ZhangAffiliation: State Key Laboratory of Genome and Multi-omics Technologies, Shenzhen Branch, Guangdong Laboratory of Lingnan Modern Agriculture, Key Laboratory of Synthetic Biology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen, China.E-mail: zhangchunzhi01@caas.cn
核心研究结果1.成功从杂合二倍体马铃薯 YS1 中诱导获得纯合单倍体，单倍体诱导频率达 10.7%。以携带有害突变已被大量清除的二倍体杂种 YS1 为母本、单倍体诱导系 PL-4 为父本杂交，收获约 250 万粒种子，经分子标记和流式细胞术鉴定，从 7000 粒无胚斑种子中获得 746 株单倍体植株，且两个优选单倍体株系的基因组均由亲本 A6-26 和 E4-63 近乎 1:1 贡献。2.单倍体经秋水仙素加倍出现双重加倍现象，获得纯合二倍体（DH）和四倍体植株，且不同倍性植株表型和育性差异显著。单倍体花药发育异常无花粉，DH 株系花粉活力正常但表现为自交不亲和，四倍体无有效花粉；DH 和四倍体植株的生长势、块茎产量显著优于单倍体，且四倍体叶片呈现典型的四倍体马铃薯形态特征。3.成功创制自交不亲和杂交马铃薯，且杂交种表现出显著的杂种优势。以雄性不育单倍体加倍系 DM 为母本、两个自交不亲和 DH 株系为父本杂交，因 S-RNase 等位基因差异实现杂交亲和，获得的 DM×DH-1、DM×DH-2 杂交种生长势极强，2025 年昆明田间试验中 DM×DH-1 单株平均产量达 1.03kg，最高单株产量近 2.7kg，且超 80% 的有害突变在杂交种中得到互补，为杂种优势形成奠定基础。4.自交不亲和杂交马铃薯彻底消除地上结果，收获指数显著高于自交亲和材料。自然条件下自交亲和材料 YS1 会自然结果，而 DM×DH 杂交种完全不结实，2024 和 2025 年 YS1 平均收获指数为 0.65、0.68，DM×DH-1 达 0.77、0.82，DM×DH-2 达 0.75、0.80；人工去花可将 YS1 收获指数提升至 0.77，却对 DM×DH 杂交种无显著影响，证实自交不亲和可有效避免同化物向果实分配，提升块茎分配效率。5.建立的单倍体育种技术体系将马铃薯杂交育种周期缩短一半，大幅降低育种成本。传统马铃薯杂交育种需 5-7 年，且需大量自交和回交操作，而本研究的单倍体诱导育种策略仅需 2.5 年即可获得纯合二倍体自交不亲和株系，单个育种助手 6-7 个月即可完成从杂交到单倍体筛选的全流程，实现高效育种。
研究图解解析图 1：展示了不同倍性马铃薯单倍体的诱导、鉴定及表型特征。通过胚斑标记初步筛选单倍体种子，利用自交亲和基因分子标记筛选目标单株，流式细胞术和核型分析证实单倍体染色体数为 12 条；同时对比了单倍体、DH 株系和四倍体植株在生长势、叶片、花器、块茎等方面的表型差异，直观体现倍性对马铃薯表型的影响。图 2：验证了不同倍性马铃薯的自交亲和性及杂交种的收获指数。通过 TTC 染色证实 DH 株系花粉活力、四倍体无有效花粉，花粉管生长实验证明 DH 株系自交不亲和、杂交组合亲和；田间表型显示自交亲和材料 YS1 大量结果，而杂交种无结果现象；箱线图清晰展示了杂交种收获指数显著高于 YS1，且人工去花对杂交种收获指数无显著影响。图 3：对比了传统马铃薯杂交育种流程与本研究的单倍体诱导育种流程。传统育种需先导入自交亲和基因、多代自交获得纯合系，再与细胞质雄性不育系多代回交，整个过程耗时 5-7 年；而单倍体诱导育种仅需先杂交导入自交亲和基因、自交清除有害突变，再经单倍体诱导和染色体加倍，2.5 年即可获得纯合自交不亲和株系并配制杂交种，大幅简化育种流程。
研究展望本研究通过整合单倍体诱导和染色体加倍技术，成功解决了马铃薯杂交育种的制种成本和同化物竞争两大核心问题，建立的自交不亲和杂交马铃薯育种体系具有高效、低成本、短周期的显著优势。未来，该技术策略将进一步拓展至更广泛的马铃薯基因型背景，同时尝试从马铃薯野生种中诱导单倍体，挖掘野生种中的优异等位基因并应用于育种，丰富马铃薯育种的基因资源库。理论上，任何缺乏纯合自交亲和等位基因的基因型均可作为该技术的创始材料，经有害突变清除后即可进行单倍体诱导，这一策略也为甘薯、木薯等其他无性繁殖作物的杂种优势利用提供了可复制、可推广的全新范式，有望推动整个无性繁殖作物育种的革新，助力作物产量潜力的最大化挖掘。
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