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NP项目文章 | 单倍体育种创制自交不亲和杂交马铃薯

花匠小妙招
2026-03-16 11:05

研究背景

马铃薯是继小麦和水稻之后的世界第三大主食作物，栽培马铃薯是同源四倍体物种，基因组杂合度高，其杂交后代表型难以预测，在保持原有优良性状的基础上，增加优异性状的概率也极低，因此栽培马铃薯主要依靠薯块进行无性繁殖，但经多代种植后病毒易在种薯内积累，导致种质退化。

近年来，国内外科学家纷纷提出用二倍体杂交种子替代四倍体薯块无性繁殖，而自交不亲和与自交衰退是杂交马铃薯育种面临的两个难题。研究团队前期通过基因组编辑技术敲除了控制马铃薯自交不亲和的S-RNase基因，并克隆了来自野生种的自交亲和基因，实现了马铃薯生殖方式从异交到自交的转变，培育了基因组高度纯合的自交系和杂种优势显著的杂交种，推动了马铃薯育种方式的变革。然而，自交亲和的亲本在杂交制种过程中需要人工去雄，成本很高，而且杂交种地上部分天然结实过多，导致地上部果实与地下部薯块竞争光合作用产物，降低了收获时的薯块产量。

主要研究结果

01 单倍体诱导与自交不亲和系的筛选

以不含大效应有害突变的杂合二倍体材料YS1为母本、单倍体诱导系PL-4（携带纯合紫色胚斑标记）为父本杂交，通过高效的筛选体系（胚斑标记初筛+6对分子标记+流式细胞术+全基因组测序+核型分析），单倍体诱导率达10.7%（746个单倍体/7000个无斑点种子），并鉴定出2株无自交亲和基因（S-RNase类型为S4）的单倍体，其基因组中亲本（A6-26或E4-63）遗传贡献比例接近1:1。

图1 不同倍性马铃薯的单倍体诱导、鉴定和表型特征

a：有/无胚斑的杂交种子代表性照片。左侧红色箭头标记无胚斑种子，中间红色箭头标记有胚斑种子；右侧为无胚斑种子。比例尺：50µm。

b：基于自交亲和基因的单倍体创制与筛选流程。SC自交亲和，SI自交不亲和。

c：亲本及衍生单倍体在Sli和S-RNase位点基因型的琼脂糖凝胶电泳图。3次重复结果一致。

d：两株单倍体的核型分析。左侧为二倍体对照（24条染色体）；中、右侧验证单倍体特征（12条染色体）。

e：YS1、YS1-F2及两株单倍体的基因组bin图谱。

f-l：单倍体、双单倍体（DH）和四倍体植株的代表性照片，生长势（f）、叶片（g）、花（h）、花药和柱头（i-k）、块茎（l）。

02 染色体加倍和SI杂交种创制

之后，对筛选的单倍体进行秋水仙素处理，出现“双重加倍”现象，同时获得双单倍体（DH-1、DH-2）和四倍体（Tetraploid）植株。表型分析显示DH和四倍体植株的生长势、块茎产量显著优于单倍体，且DH植株花粉活力正常但表现为自交不亲和（花粉萌发后花粉管无法延伸至胚珠），四倍体植株无有活力花粉。

以雄性不育单倍体加倍系DM（S-RNase类型为S3）为母本、2个SI-DH系（S-RNase类型为S4）分别为父本进行杂交，获得了两组F1杂交组合。田间试验显示杂交种表现出显著杂种优势，DM×DH-1单株平均产量达1.03kg，最高单株产量近2.70kg，且80%以上的有害突变在杂交种中得到互补，为杂种优势形成奠定遗传基础。由于双亲都是自交不亲和的，杂交时无需人工去雄，不仅降低了制种成本，也有效保证了杂交种的纯度。

03 库源竞争与提高收获指数（HI）

SI杂交种由于恢复了自交不亲和性，在自然条件下表现完全不结实，能够将更多的光合产物分配给地下块茎。2024-2025年收获指数评估显示，与自然结实的自交亲和品系YS1（0.65-0.68）相比，SI杂交种的收获指数提高了10%（0.75-0.82）。当人工摘除YS1的花（模拟不结实）后，其HI值显著提升至0.77，达到了与SI杂交种相似的水平。而对于本来就不结实的SI杂交种，摘花处理对HI没有显著影响，验证了通过构建自交不亲和体系消除果实库，是提高二倍体马铃薯产量的有效途径。

图2 不同倍性马铃薯的SC分析及SI杂交种的收获指数（HI）评估

a-c：DH-1、DH-2和四倍体植株染色法鉴定花粉活力。有活力的花粉呈红色，3次重复结果一致。

d-f：DH-1、DH-2和四倍体植株花粉萌发实验验证自交不亲和性。DH-1和DH-2的花粉管无法延伸至胚珠，四倍体植株的花粉在柱头上不萌发。红色箭头指示花粉管末端。比例尺：1mm。2次重复结果一致。

g-h：DM×DH-1和DM×DH-2杂交亲和，两个组合的花粉管均能延伸至胚珠。红色箭头指示花粉管末端。比例尺：1mm。2次重复结果一致。

i：亲本及DM×DH-1、DM×DH-2杂交种的代表性照片，显示杂交种具有显著的生长势杂种优势。比例尺：10cm。

j：YS1的田间表现，自交亲和的YS1可自然结实，红色箭头标记果实。比例尺：10cm。

k：DM×DH-1的田间表现，SI杂交种无结实现象。比例尺：10cm。

l-m：2024年和2025年YS1、DM×DH-1和DM×DH-2的收获指数。

n-p：人工摘除花对YS1、DM×DH-1、DM×DH-2收获指数的影响。

04 马铃薯育种周期大幅缩短

传统自交不亲和杂交马铃薯育种需5~7年（含多代自交、回交创制雄性不育系），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SI二倍体系并配制杂交种，大幅减少人工成本，实现育种流程的高效简化。

图3SI杂交马铃薯的育种流程示意图

总之，该研究通过单倍体育种创制自交不亲和杂交马铃薯：以携带自交亲和基因的杂合二倍体马铃薯为材料，利用单倍体诱导技术实现10.7%诱导率，筛选剔除自交亲和基因的单倍体，经加倍后获得自交不亲和（SI）的纯合二倍体品系（DH系）。利用这些SI-DH系配制的杂交种，不仅表现出强显著的生长优势，而且由于恢复了自交不亲和性，田间不结实，从而避免了“果实-块茎”的养分竞争，显著提高了收获指数。该策略将育种周期缩短了一半，为无性繁殖作物的杂种优势利用提供了全新的研究思路和技术体系，具有重要的理论价值和产业化应用前景。

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