类马铃薯（左）与马铃薯组（右）植株的表型。">类马铃薯（左）与马铃薯组（右）植株的表型。
杂交事件驱动马铃薯的薯块形成与演化。本文图片均由中国农科院深圳农业基因研究所提供
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本文图片均由中国农科院深圳农业基因研究所提供
餐桌上，马铃薯似乎只是再平常不过的一道食材。然而，在科学家眼中，马铃薯的来历是一段跨越千万年的故事。日前，中国农业科学院深圳农业基因组研究所首次揭示了马铃薯组的杂交起源、薯块形成和辐射分化。
研究发现，马铃薯组起源于900万年前番茄组和类马铃薯组的一次古杂交事件，杂交产生了新器官（薯块）。该研究是“优薯计划”的又一重大突破，为马铃薯遗传育种提供了全新的理论视角。
突破马铃薯育种难题
“马铃薯是全球13亿人的主食之一，也是重要的无性繁殖作物。”中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文介绍。作为无性繁殖的代表作物，马铃薯拥有高度杂合的基因组和自交不亲和的特性，这让它在育种过程中常常陷入困境：遗传分析复杂，难以突破新品种选育。
团队早在前期研究中，就培育出了第一代高纯合度马铃薯自交系和杂交品系“优薯1号”，一定程度上缓解了育种的难题。然而，他们发现，真正阻挡在面前的，还有另一个未解之谜——马铃薯的物种起源。
长期以来，科学界普遍认为现代栽培马铃薯源自南美安第斯山脉或智利的野生马铃薯，这些野生种经过长期驯化和杂交形成了今天的品种。但“野生马铃薯的祖先是谁”一直没有答案。形态学的线索一度让科学家认为，与马铃薯长相极为相似的“类马铃薯”是它的直接祖先。然而，分子进化学的证据却抛出一个反直觉的结论：马铃薯和番茄之间的亲缘关系更近。
研究团队决定，重新审视马铃薯组（栽培与野生马铃薯）、番茄组和类马铃薯组三者之间的进化关系。他们系统分析了来自101份马铃薯组、15份番茄组、9份类马铃薯组，以及19份其他茄科物种的高质量基因组数据。其中大部分基因组数据已经存在，这项研究对数据进行了再利用。
答案在进化基因组学和分子生物学的交叉中浮现：900万年前，一次发生在番茄组与类马铃薯组之间的远古杂交，诞生了马铃薯组。按照质体基因组的亲缘关系，番茄为母本，类马铃薯为父本。这是一场跨属的“基因联姻”，而且结下了一个演化史上罕见的果实——新器官“薯块”。
“薯块”带来生存优势
基于此，研究团队进一步追溯了马铃薯关键薯块形成基因的起源。
“薯块的身份基因IT1来自类马铃薯组，而结薯所需的移动信号因子SP6A则来自番茄组。”研究团队成员、论文第一作者张智洋解释道，“我们还在基因组中发现了两个此前未被注意的与薯块功能相关的重要基因——DRN和CLF。这些来自双亲的等位基因重新组合，构建起一个全新的调控网络，推动了薯块的出现。”
研究团队进一步发现，现今马铃薯组内部物种仍约有24%的遗传组分随机固定了不同亲本的等位基因，呈现出亲本镶嵌的“马赛克式”模式。即，不同个体携带不同亲本的遗传信息，就像一幅由不同颜色小瓷砖拼成的马赛克画一样，导致表型呈现不均一性。
这种马赛克式的遗传组合带来的结果是惊人的：它极大提升了后代的遗传多样性，让它们拥有适应多种环境的能力。在生态学上，这意味着新生的马铃薯群体能够迅速占据新的生态位，并在与亲本逐渐形成生殖隔离的同时，展现出超强的杂种优势与适应性。
薯块的形成也给马铃薯带来了地下生存优势。薯块不仅能够储存水分和淀粉，帮助马铃薯度过干旱、寒冷季节，更赋予了马铃薯无需种子或授粉即可繁殖的能力，通过薯块上的芽直接萌发新植株。
从考古化石到未来种子
破解900万年前的故事，科学家们用的是一种被称为“分子钟”的技术。它的原理类似于通过基因“进化沙漏”计时：DNA会以相对稳定的速率积累突变，通过比较不同物种的DNA差异，并结合化石年代数据进行校准，就能推算出它们分化的时间。团队选取了距今约5200万年的茄科化石作为校准点，最终确认马铃薯的杂交起源时间节点。
然而，团队并不满足于停留在“揭示过去”。他们已经将这一发现转化为面向未来的育种新思路。
目前，马铃薯的种植运输、储存成本高且易带病虫害。团队的目标，是将马铃薯从无性繁殖的块茎作物变革为种子繁殖作物——每亩只需2克种子。这不仅能降低种植成本，还能显著减少病害传播风险。
“由于番茄是自交的有性繁殖作物，几乎没有有害突变。”黄三文表示，这次起源研究提供了一个大胆的设想：以番茄作为合成生物学的“底盘”，导入薯块形成所需的关键基因，让番茄在地下长出马铃薯。这意味着，未来或许会出现一种全新的“种子型马铃薯”，既继承番茄的繁殖优势，又保有马铃薯的食用价值。
对科研人员来说，挑战仍在继续。他们需要在基因组选择的过程中淘汰更多的有害突变，以确保新型马铃薯的稳定性和产量。
“在演化史上，杂交常被视为基因流动的‘边缘事件’。”黄三文总结，“但这次研究告诉我们，它也可以是物种创新的核心驱动力。”
该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国农业科学院科技创新工程等项目的支持。研究首次揭示了马铃薯起源于番茄与类马铃薯祖先种之间的一次古老杂交事件，并导致新器官薯块的产生，加速马铃薯物种爆发式的辐射分化。
