馬鈴薯是全球第三大主糧作物，它是如何起源的呢？沒有人能想到，約900萬年前，一場遠(yuǎn)古的基因“聯(lián)姻”會締造出這一個神奇的主糧作物——馬鈴薯，更讓人意想不到的是，這場“聯(lián)姻”不僅創(chuàng)造了馬鈴薯這個新物種，更催生了新器官——薯塊的產(chǎn)生，并由此引發(fā)了馬鈴薯物種爆發(fā)式的輻射分化。

7月31日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）黃三文團(tuán)隊聯(lián)合中外科研團(tuán)隊在《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表最新研究成果，首次揭示了馬鈴薯組的雜交起源、薯塊形成和輻射分化。研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯組起源于900萬年前番茄組和類馬鈴薯組的一次古老雜交事件，雜交產(chǎn)生了新器官（薯塊）。該研究是“優(yōu)薯計劃”的又一重大突破，為馬鈴薯遺傳育種提供了全新的理論視角。

馬鈴薯的“前世今生”

馬鈴薯是最重要的薯類作物，原產(chǎn)于南美洲，因其“營養(yǎng)價值高、適應(yīng)能力強(qiáng)”，而被傳播到世界各地，成為人類重要主食之一。

實際上，馬鈴薯的果實和市場上備受歡迎的櫻桃番茄長得很像。植物分類學(xué)把茄科茄屬中這兩類植物分別劃分到馬鈴薯組和番茄組。茄屬中還有一類植物的地上部分整體都像馬鈴薯，也能產(chǎn)生地下莖，但不會結(jié)出薯塊，它們被劃分到類馬鈴薯組。

因此，馬鈴薯組（包含栽培馬鈴薯和107個野生種）和番茄組（包含栽培番茄和16個野生種）、類馬鈴薯組（包含3個野生種）屬于姊妹類群。

但在形態(tài)上，馬鈴薯和類馬鈴薯更加相似。研究者一度認(rèn)為，類馬鈴薯是馬鈴薯的直接祖先，是“不結(jié)薯的馬鈴薯”。然而，分子進(jìn)化學(xué)分析證明，番茄和馬鈴薯的親緣關(guān)系更近一些。

馬鈴薯、番茄、類馬鈴薯這三者究竟是什么關(guān)系？馬鈴薯的“身世”也由此成了長期以來的一個未解之謎。

研究團(tuán)隊系統(tǒng)分析了來自101份馬鈴薯組、15份番茄組、9份類馬鈴薯組，以及19份其他茄科物種的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，所有馬鈴薯個體都包含來自類馬鈴薯和番茄植株的穩(wěn)定平衡的遺傳貢獻(xiàn)，來自番茄與類馬鈴薯的遺傳貢獻(xiàn)比例約為4∶6。研究人員由此推測，馬鈴薯可能是兩者雜交誕生的“混血兒”。

為驗證這一猜想，研究人員進(jìn)一步評估了三者的分化時間。研究發(fā)現(xiàn)，類馬鈴薯和番茄約在1400萬年前開始分化，在分化約500萬年后，類馬鈴薯和番茄發(fā)生雜交，并于約900萬年前形成了最早帶有薯塊的馬鈴薯植株。

自此，馬鈴薯的“身世之謎”終于水落石出。馬鈴薯是類馬鈴薯和番茄雜交產(chǎn)生的物種，母本為番茄，父本為類馬鈴薯。黃三文說：“就此，雜交物種馬鈴薯形成了。在生殖隔離層面，馬鈴薯野生種與番茄組、類馬鈴薯組親本存在顯著的雜交障礙；在基因組層面，馬鈴薯野生種通過等位基因重組篩選，產(chǎn)生了新器官薯塊；在生態(tài)拓展層面，雜交物種呈現(xiàn)爆發(fā)式輻射分化，使馬鈴薯能快速適應(yīng)環(huán)境變異?！?/p>

薯塊形成的遺傳基礎(chǔ)

然而，讓研究人員好奇的是為什么只有馬鈴薯能長出薯塊，而它的“父母”——番茄既無地下莖也無薯塊，類馬鈴薯只有地下莖、無膨大薯塊。那么，馬鈴薯特有的薯塊是如何進(jìn)化出來的？黃三文團(tuán)隊提出了一個大膽的猜想：這可能是基因組重組的結(jié)果！番茄和類馬鈴薯這兩個家族的祖先雜交后，它們的基因重新組合，意外地創(chuàng)造出了“薯塊”這個獨特的器官。

基于此，研究團(tuán)隊進(jìn)一步追溯了馬鈴薯關(guān)鍵薯塊形成基因的起源。研究發(fā)現(xiàn)，新器官薯塊的形成是親本來源的等位基因重新組合和交互調(diào)控的結(jié)果。如，控制薯塊形成的“主開關(guān)”基因SP6A來源自番茄組，而調(diào)控地下莖（薯塊形成部位）生長的關(guān)鍵基因IT1繼承自類馬鈴薯。此外，研究團(tuán)隊還新發(fā)現(xiàn)了兩個薯塊功能相關(guān)基因DRN和CLF，分別來源于番茄組和類馬鈴薯組，缺少任一基因，都會影響薯塊的正常發(fā)育。

馬鈴薯種群的“演化”

“聯(lián)姻”不僅創(chuàng)造了新器官薯塊，還豐富了馬鈴薯組內(nèi)物種的遺傳寶庫。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今馬鈴薯組內(nèi)部物種仍約有24%的遺傳組分隨機(jī)固定了不同親本的等位基因，呈現(xiàn)出親本鑲嵌的“馬賽克式”模式。即不同個體攜帶不同親本的遺傳信息，就像一幅由不同顏色小瓷磚拼成的馬賽克畫一樣，導(dǎo)致表型呈現(xiàn)不均一性。當(dāng)馬鈴薯受到不同環(huán)境條件脅迫時，這種“馬賽克式”的遺傳組合像“智能篩子”一樣，從寶庫中篩選出最佳基因組合，使得馬鈴薯能夠適應(yīng)從溫帶草原到高寒高山草甸的多種生態(tài)環(huán)境。

與此同時，薯塊的形成也給馬鈴薯帶來了地下生存優(yōu)勢。薯塊不僅能夠儲存水分和淀粉，幫助馬鈴薯度過干旱、寒冷季節(jié)，更賦予了馬鈴薯無需種子或授粉即可繁殖的能力，通過薯塊上的芽直接萌發(fā)新植株。

薯塊和它的“雙親”番茄與類馬鈴薯的遺傳寶庫促使馬鈴薯在安第斯山脈快速隆升期的惡劣環(huán)境中獲得巨大優(yōu)勢，進(jìn)一步加速了馬鈴薯物種爆發(fā)式的輻射分化，并與親本建立生殖隔離，表現(xiàn)出超強(qiáng)雜種優(yōu)勢和超級環(huán)境適應(yīng)性。

該研究首次發(fā)現(xiàn)馬鈴薯的同倍體雜交物種形成，并證明新器官薯塊的形成是由于不同親本等位基因的重新組合，為理解雜交在物種形成過程中的關(guān)鍵作用提供了新范式，并為后續(xù)馬鈴薯遺傳育種提供了全新的理論視角。