習(xí)近平總書記高度重視國家糧食安全，提出：“要圍繞保障糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品供給集中攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控，用中國種子保障中國糧食安全。”

馬鈴薯是我國第四大主糧作物。我們研究團(tuán)隊(duì)在國家大力、穩(wěn)定、長期支持下，得以在農(nóng)業(yè)基因組學(xué)領(lǐng)域持續(xù)開展底層科研，進(jìn)行原始創(chuàng)新，完成了馬鈴薯的種子繁殖技術(shù)突破，使我國在馬鈴薯育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。

機(jī)緣巧合做對關(guān)鍵選擇

我從事馬鈴薯育種研究，始于2000年。那一年，我到荷蘭瓦赫寧根大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院植物育種系攻讀博士學(xué)位，算起來到如今已有24年。

我的導(dǎo)師是埃弗特·雅各布森教授，他是著名的馬鈴薯遺傳育種專家，也是我們學(xué)院院長。從面積上看，荷蘭是農(nóng)業(yè)小國，但從實(shí)力上來講，特別是在馬鈴薯相關(guān)研究領(lǐng)域，荷蘭卻是全球數(shù)一數(shù)二的強(qiáng)國。20多年前，我國馬鈴薯產(chǎn)量是1噸/畝，而荷蘭是3噸/畝，荷蘭的種薯出口量占到全球的85%。整體來說，科研水平高，實(shí)力雄厚。

讀博結(jié)束前，我還沒確定未來在哪個細(xì)分方向進(jìn)行深入研究，現(xiàn)在回想起來，有三件事決定了我后來要走的路。

第一件事發(fā)生在2004年，時任中國科學(xué)院北京基因組研究所所長楊煥明應(yīng)邀到瓦赫寧根大學(xué)授課。那次學(xué)習(xí)讓我意識到基因組學(xué)在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)生物學(xué)研究中將發(fā)揮重要作用，因此，“基因組”這個神秘的現(xiàn)代生物技術(shù)一下子吸引了我，由此在我心里埋下了一顆種子。

第二件事是有感于一篇文章。當(dāng)時一位英國教授將一篇發(fā)表在《自然綜述：遺傳學(xué)》雜志上的文章寄給我，文章名為《1930年代的生物技術(shù)》，講述了美國在20世紀(jì)初進(jìn)行玉米雜交育種的詳細(xì)過程。我深受觸動，當(dāng)時就在想：是否也能讓馬鈴薯從塊莖繁殖變?yōu)殡s交種子繁殖？

這個想法在當(dāng)時看來，簡直是異想天開。以人來舉例，人屬于二倍體，一倍體來自于父親，另外一倍體來自于母親。野生的馬鈴薯是二倍體，但在人類馴化過程中突變成了四倍體，也就是說馬鈴薯有四套染色體。這導(dǎo)致馬鈴薯種子高度分離，從四倍體上收集的種子再播種下去之后，長出來的樣子可能千姿百態(tài)，很難保持優(yōu)良性狀。

第三件是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)發(fā)起成立了國際馬鈴薯基因組測序協(xié)作聯(lián)盟，研究目的是獲得完整確切的馬鈴薯基因組序列。這個聯(lián)盟不能沒有中國人的身影，于是我與時任中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長的屈冬玉（現(xiàn)任聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織總干事）聯(lián)系，向他介紹了這個聯(lián)盟開展的相關(guān)工作，提出中國研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該參與進(jìn)來。

屈冬玉對此非常認(rèn)可，并親自帶隊(duì)來到荷蘭，他作為項(xiàng)目發(fā)起人之一，通過引進(jìn)人才和橫向聯(lián)合組建了中國馬鈴薯基因組測序團(tuán)隊(duì)，而我則成為中方首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的組織和執(zhí)行。

這是促成我從事馬鈴薯雜交育種研究的直接原因。

當(dāng)然，如果從更遠(yuǎn)的時間點(diǎn)上追溯，還有另外一顆“種子”。上世紀(jì)80年代初，改革開放以后包產(chǎn)到戶，我家里一直種植水稻，有一年水稻產(chǎn)量突然提高一倍，從約400斤/畝提高到約800斤/畝。我很吃驚，并問父親這是怎么回事，父親說是種了袁隆平的雜交水稻品種。當(dāng)時我印象非常深刻，可以說，我后來走上農(nóng)業(yè)科研這條路，在一定程度上是受到袁老的影響。

搬走研發(fā)路上的兩座大山

全球約有100多個國家、13億人口以馬鈴薯為主要口糧，馬鈴薯也是我國第四大主糧作物。

很多人想象不到，對人類如此重要的食物來源，從數(shù)千年前印第安人開始種植馬鈴薯，到幾百年前我國引進(jìn)馬鈴薯，都是用馬鈴薯薯塊種植，從未有過改變。

相比種子繁殖，這種通過薯塊進(jìn)行繁殖的方式存在很多弊端。首先它的繁殖系數(shù)很低，僅為1：10，相當(dāng)于收獲10個土豆，人們就需要留下一個作為“種子”，極大地增加了種植成本。其次，一般而言，種一畝地只需2克種子，而種薯薯塊就需500斤左右，對農(nóng)民來說，運(yùn)輸、儲存都成為問題。而且薯塊相比種子，沒有外殼保護(hù)，無法進(jìn)行表面消毒，容易傳染病蟲害。三是無性繁殖作物的品種更新速度非常慢，很多國家常被用來制作薯?xiàng)l的馬鈴薯還是在100多年前選育的品種，這在水稻領(lǐng)域是不可想象的。水稻幾乎每十年就更新一代，品種能夠得到不斷改良。

為什么不用比薯塊更節(jié)省成本的種子來種植馬鈴薯呢？全球一流農(nóng)業(yè)育種專家都在研究這個課題。

這是一項(xiàng)巨大的工程。在植物界，馬鈴薯、紅薯、甘蔗等通過地下莖或分蘗繁殖，叫無性繁殖；另外一類進(jìn)行有性繁殖，也稱為種子繁殖，如水稻、小麥、玉米等。要把無性繁殖改為種子繁殖，不是簡單的修修補(bǔ)補(bǔ)、對個別基因進(jìn)行修改就能完成的。因?yàn)榛蚪M是所有基因的總和，科學(xué)家要對整個基因組進(jìn)行選育，從底層創(chuàng)新，系統(tǒng)性重建，真的很難。

在2006年至2008年底，荷蘭發(fā)起的國際馬鈴薯基因組測序聯(lián)盟就遇到了巨大困難：基因組高度雜合、物理圖譜質(zhì)量不高、測序成本太高等。2008年時，我已經(jīng)掌握了新一代基因組測序技術(shù)，并用這項(xiàng)技術(shù)完成了黃瓜的基因組測序工作，現(xiàn)在看來這也是一次練兵的過程。于是我向聯(lián)盟提出：以單倍體馬鈴薯為材料來降低基因組分析的復(fù)雜度，并采用快捷的全基因組鳥槍法和新一代的DNA測序技術(shù)。

沒想到，提議遭到了荷蘭方面的拒絕。

今天看來，這次拒絕給了中國一次絕佳的機(jī)會：我們作為發(fā)起方，聯(lián)合美國、英國研究團(tuán)隊(duì)以及國際馬鈴薯中心一起開展相關(guān)工作。中國在這個過程中實(shí)現(xiàn)了身份的轉(zhuǎn)換：從國際協(xié)作聯(lián)盟的參與者轉(zhuǎn)變成了課題的主導(dǎo)方。

我們在不長的時間內(nèi)完成了馬鈴薯基因組序列圖的構(gòu)建，發(fā)表在著名的《自然》期刊上。

有了基因組，就可以考慮開展雜交馬鈴薯育種了。

然而，在馬鈴薯雜交育種的道路上，還存在很多困難，主要有兩個：

一是自交繁殖難，因?yàn)樽越徊挥H和：二倍體馬鈴薯是天然異交物種，自己跟自己授粉結(jié)不了種子，即自交不親和。要想解決這個問題，就要找到控制自交不親和的那組基因，敲掉他；或者找到來自野生種的自交親和基因，就可徹底解決這個問題，這對后期產(chǎn)業(yè)化種植推廣非常重要。

為了攻克這個難關(guān)，我們借助基因組學(xué)方面的優(yōu)勢，對眾多種質(zhì)資源進(jìn)行篩選。我常常這樣形容基因組學(xué)在生物學(xué)研究中的價值：以前我們好似在黑暗的房間尋找一把鑰匙，光源非常有限，基本什么也看不到，需要去摸索?，F(xiàn)在有了基因組學(xué)，通過全面揭示物種的基因組，相當(dāng)于打開了房間的燈，找到鑰匙就成為了可能。

自交衰退是第二道難關(guān)，它是指生物在自交之后出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退。這就好比近親不能結(jié)婚，否則會導(dǎo)致很多遺傳疾病。由于長期無性繁殖，馬鈴薯累積了大量隱性有害突變。一旦自交后，這些突變就會顯現(xiàn)出來。識別和淘汰這些有害突變就是我們一直在做的事。

從2013年開始，我們一直致力于破除上述兩個結(jié)構(gòu)性障礙。

破譯遺傳基因密碼

2015年，在中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、深圳市和云南省的大力支持下，我們開始推進(jìn)“優(yōu)薯計(jì)劃”，目標(biāo)是：通過雜交育種技術(shù)，將育種周期從10~12年縮短為3~5年，同時把繁殖系數(shù)提高1000倍。

直到2021年，我們終于取得了突破性進(jìn)展，培育了兩個完全純合的自交系，我們真正把馬鈴薯變成了種子作物。這在世界上是第一例。

2021年6月24日，《細(xì)胞》雜志在線發(fā)表了我們團(tuán)隊(duì)的研究成果：“Genome design of hybrid potato（雜交馬鈴薯的基因組設(shè)計(jì)）”。我們培育出的第一代高純合度（>99%）自交系和雜交品系“優(yōu)薯1號”，在試驗(yàn)田的產(chǎn)量接近2噸/畝，具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢，同時還具有干物質(zhì)含量高和類胡蘿卜素含量高的特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)都很不錯。

對種子繁殖的水稻、玉米、小麥來說，100%的純合度都不是問題，但對于馬鈴薯來說，99%的純合度，已實(shí)屬不易，這是在技術(shù)不斷進(jìn)步之下才得以實(shí)現(xiàn)的?！皟?yōu)薯1號”的成功選育，證明了雜交馬鈴薯育種的可行性，使馬鈴薯遺傳改良進(jìn)入了快速迭代的新階段。

其實(shí)，在此之前一年的11月，我?guī)е蚪M設(shè)計(jì)育種獲得的第一代二倍體馬鈴薯雜交種子，專程拜訪了當(dāng)時還在世的袁隆平院士，向他詳細(xì)介紹了“優(yōu)薯計(jì)劃”研究取得的突破性進(jìn)展。袁老聽取匯報后十分開心，專門為“優(yōu)薯計(jì)劃”題詞：“馬鈴薯雜交種子繁殖技術(shù)是顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。袁老是我們農(nóng)業(yè)科研人員的英雄，他的鼓勵對我們團(tuán)隊(duì)意義重大！

雖然這時已取得了階段性成績，但馬鈴薯基因組中的有害突變問題還沒有解決，馬鈴薯長勢還比較弱，品種仍需進(jìn)一步改良，需要繼續(xù)找到并淘汰未被發(fā)現(xiàn)的有害突變。

我們通過基因組大數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個可以有效鑒定有害基因的進(jìn)化“透鏡”技術(shù)。針對近百份物種資源進(jìn)行分析，觀察它們在8000萬年的進(jìn)化過程中哪些基因沒有突變、哪些容易突變。這個技術(shù)相當(dāng)于給了育種專家一雙“火眼金睛”，可以在早期就淘汰掉不好的材料，把育種效率提高50％以上，這也是“優(yōu)薯計(jì)劃”的關(guān)鍵一步。

在這個過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一個有意思的現(xiàn)象：傳統(tǒng)育種使用生長更加健壯的馬鈴薯作為自交系起始材料的做法，可能會南轅北轍，將導(dǎo)致選育過程中子代從父母本中獲得更多的有害突變。相反，生長較弱的馬鈴薯遺傳給子代的有害突變更少，后期的自交育種成功率更大。

這個“不選壯苗選弱苗”的反直覺方法不僅顛覆了以往的認(rèn)知，而且還能夠提早2~3年預(yù)測馬鈴薯的自交系育種結(jié)果，快速創(chuàng)建更多優(yōu)良馬鈴薯自交系，進(jìn)而培育更多馬鈴薯雜交品種。

回顧過去這些年的研究歷程，可以說我們在每一個研究環(huán)節(jié)都使用了基因組分析技術(shù)，因此有國外同行評價我們：幾乎是從零開始徹底改造馬鈴薯，讓馬鈴薯育種進(jìn)入了現(xiàn)代育種時代。《細(xì)胞》雜志評價這些成果已經(jīng)成為“植物基因組設(shè)計(jì)的藍(lán)圖”，德國、英國科學(xué)家也提出“這是馬鈴薯的重新發(fā)明”。

團(tuán)隊(duì)攻關(guān)力量大

上述成績的取得，離不開整個研究團(tuán)隊(duì)的辛勤付出，幸運(yùn)的是，我們有一支非常團(tuán)結(jié)奮進(jìn)的隊(duì)伍。

張春芝是第一個被我“忽悠”參加“優(yōu)薯計(jì)劃”的成員。因?yàn)闅夂蜻m宜，云南一年四季都可以種植馬鈴薯，這里也成為我們主要的研究基地。為了更好地投入科研工作，張春芝和她愛人長期駐扎在這里，領(lǐng)導(dǎo)一個小組和當(dāng)?shù)氐暮献骰锇橐黄鹈刻毂疾ㄔ谔镩g地頭。張春芝的遺傳學(xué)基礎(chǔ)很好，對馬鈴薯分子育種理解很深刻。這些年，她不僅培育了兩個品系：“優(yōu)薯1號”和“優(yōu)薯1.1”，還生了兩個娃，可以說是事業(yè)和家庭“雙豐收”。

云南師范大學(xué)馬鈴薯研究院的院長尚軼教授原本是我們北京團(tuán)隊(duì)的成員，主要從事分子生物學(xué)研究。2017年，為了雜交馬鈴薯事業(yè)，他們舉家搬到了昆明，那個時候孩子才上小學(xué)。剛到云南，人生地不熟，要做的事情非常多。當(dāng)然，尚軼的到來是對張春芝育種工作的有力支持，他的研究領(lǐng)域是馬鈴薯營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味形成分子機(jī)制，他和張春芝兩個團(tuán)隊(duì)相互配合，將國家資源和地方優(yōu)勢充分結(jié)合起來，一起助力將馬鈴薯雜交育種的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

如今，尚軼到云南也有7個年頭了，平臺和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)搭建完成，擁有3000多平方米的實(shí)驗(yàn)室，馬鈴薯研究院的成員超過150人。接下來就是圍繞雜交馬鈴薯計(jì)劃關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行進(jìn)一步科研攻關(guān)，同時組建馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展體系，從品種選育、綠色種植到下游高附加值產(chǎn)品開發(fā)等環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)科技含量。

相比其他科研領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究周期長，我們團(tuán)隊(duì)這些優(yōu)秀的科研人才把他們最寶貴的年華都奉獻(xiàn)給了馬鈴薯育種事業(yè)。在田間，他們每年都要種植幾十萬株馬鈴薯，觀察他們的性狀，選擇優(yōu)良的育種材料?；氐綄?shí)驗(yàn)室，還要進(jìn)行馬鈴薯基因組數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)操作解析重要性狀的分子機(jī)制，科研任務(wù)繁重。但他們始終充滿活力和創(chuàng)新精神，敢于探索未知、?勇于挑戰(zhàn)困難。在追求事業(yè)發(fā)展的過程中，他們個人價值也得到了實(shí)現(xiàn)，尚軼入選了教育部長江學(xué)者，張春芝獲得了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金的資助。

對于我來說，我的使命不僅是要把雜交馬鈴薯的事業(yè)做成，還要培養(yǎng)一批優(yōu)秀的年輕科學(xué)家和育種家，他們是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的重要力量，是實(shí)現(xiàn)國家種業(yè)振興、農(nóng)業(yè)強(qiáng)國建設(shè)的重要人才支撐。

中國科技創(chuàng)新成果惠及世界

“優(yōu)薯1.1”是我們在去年推出的品系，多個指標(biāo)比“優(yōu)薯1號”提高很多，但還不到生產(chǎn)田的水平。生產(chǎn)田種植對產(chǎn)量、抗性等方面要求更高，但我相信這個目標(biāo)很快就能實(shí)現(xiàn)。到那個時候，種植馬鈴薯的農(nóng)民一定會喜歡這個新種子，老百姓們也將吃到更多適合自己口味的新品種。與此同時，馬鈴薯雜交種子的大規(guī)模應(yīng)用，還將給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來一場革命性變化，運(yùn)輸和儲藏成本大大削減，以育種為主的研發(fā)型企業(yè)也將不斷涌現(xiàn)。

作為中國第四大主糧作物，馬鈴薯實(shí)現(xiàn)種子繁殖更為重要的意義是：將為保障國家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定供給提供強(qiáng)有力的科技支撐。不僅中國人受益，其對廣大發(fā)展中國家、“一帶一路”共建國家來說也是一個福音。我們已經(jīng)和國際馬鈴薯中心、盧旺達(dá)等有關(guān)國家成立了國際全球雜交馬鈴薯聯(lián)盟，通過舉辦培訓(xùn)班等形式幫助有需要的國家共同發(fā)展，造福當(dāng)?shù)匕傩铡?/p>

作為研究人員，我們也深刻感受到，基因組學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的新興學(xué)科，在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)生物學(xué)研究中發(fā)揮著引領(lǐng)作用，也為生物種業(yè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。我們看到，近十年的中央一號文件，幾乎年年提及扶持種業(yè)創(chuàng)新、加強(qiáng)生物技術(shù)基礎(chǔ)研究和開發(fā)。我們?nèi)〉玫倪@些成果就是國家整體科研實(shí)力不斷提升的一個投射。

早在2013年，在財(cái)政部、原農(nóng)業(yè)部等的支持下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院就啟動了科技創(chuàng)新工程，目的是以機(jī)制創(chuàng)新撬動院所改革，以穩(wěn)定支持增強(qiáng)創(chuàng)新能力，我們就是受益者。與此同時，深圳市基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目，也對我們雜交馬鈴薯項(xiàng)目進(jìn)行了長期穩(wěn)定的支持。

毋庸置疑，正是黨和國家對基礎(chǔ)研究的高度重視和戰(zhàn)略布局，使得廣大科研人員勇于去挑戰(zhàn)最底層的技術(shù)、開展長周期的原始創(chuàng)新。如今，一批批先進(jìn)、高效、實(shí)用的重要農(nóng)業(yè)科技成果頻出，為推動我國農(nóng)業(yè)科技整體水平躍升、加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的科技支撐。

全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院院士、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長 黃三文 口述 邢艷嬌 整理