揮之不去的病毒陰影,，無法長期保存的種薯,，過于緩慢的育種過程，限制了馬鈴薯取得更大的成功,。如今,，科學(xué)家們通過怎樣的努力,，才讓馬鈴薯迎來新的黃金年代呢,？
01馬鈴薯也會染病毒
馬鈴薯（俗稱土豆）天生就是一種好食物,，它們產(chǎn)量高,，營養(yǎng)全，對不同環(huán)境的適應(yīng)性強,，又可以是蔬菜又可以當(dāng)主食,，簡直是完美。但是,，馬鈴薯也有自己的苦衷,，比如病毒。
大家對病毒并不陌生,，人類發(fā)現(xiàn)的第一種病毒就是一種植物病毒——煙草花葉病毒,。病毒不僅威脅著人類健康,，對植物生長的影響也是巨大的,。
馬鈴薯是通過塊莖進(jìn)行繁殖的，隨著一代一代播種繁育,，塊莖中的病毒種類和數(shù)量會越來越多,，輕則影響品質(zhì)和產(chǎn)量，重則導(dǎo)致大幅減產(chǎn)甚至絕收,。幸運的是,，科學(xué)家們用智慧拯救了岌岌可危的馬鈴薯產(chǎn)業(yè)。
1934年,，科學(xué)家將感染了奧古巴花葉病毒的番茄根切成多段,，分別接種到煙草（心葉煙）植株上。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，接近生長點的兩段根沒有讓煙草植株長出病斑,，其他接觸了其余番茄根的煙草植株都長出了病斑。也就是說,，番茄根尖這種生長旺盛的植物組織不會被病毒侵染,，只要我們把這些部位進(jìn)行組織培養(yǎng)，最終得到的植物體也就不會帶有病毒了,。
1952年,，法國科學(xué)家莫雷爾·喬治斯（G. Morel）和馬丁（C. Martin）通過莖尖組織培養(yǎng),，獲得了沒有某些病毒的馬鈴薯植株,，在很大程度上解決了馬鈴薯病毒帶來的問題。這就是目前被廣泛使用的馬鈴薯莖尖脫毒技術(shù),。
02莖尖為什么可以脫毒
為什么細(xì)胞分裂活躍的植物組織就不會被病毒侵染呢,？這個謎題一直到2020年10月，才被中國科學(xué)家解開,。
中國科學(xué)家取得的研究成果,，為世界糧食安全作出了突出貢獻(xiàn)。科研人員希望在接下來的研究中將這種原理應(yīng)用到農(nóng)作物抗病毒上,，期待在不久的將來,，能夠獲得完全不受病毒侵染的馬鈴薯和其他農(nóng)作物。
●中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的趙忠教授研究發(fā)現(xiàn),，擬南芥莖尖干細(xì)胞的調(diào)控因子（被稱為WUS蛋白）可以阻止植物病毒的復(fù)制,，從而達(dá)到抗病毒的效果。即：WUS蛋白會影響一種叫作SAM甲基轉(zhuǎn)移酶(S-adenosyl-L-methionine-dependentmethyltransferases,MTases)基因表達(dá),，而SAM甲基轉(zhuǎn)移酶關(guān)系到核糖體RNA的工作,，進(jìn)而限制病毒蛋白質(zhì)的合成，從而起到抵御病毒保護(hù)干細(xì)胞的作用,。圖為擬南芥,。
03三步設(shè)計出最好的種子
馬鈴薯是通過塊莖進(jìn)行繁殖的，在種薯儲備過程中為了避免霉變腐爛等損失,，需要投入大量的資源,。問題來了，為什么不用種子來種馬鈴薯呢,？
那是因為馬鈴薯是一種自交不親和植物,，即它的每個植株的花粉無法為自己的胚珠授粉，要想得到種子,，就必須用另一棵植株的花粉,。在自然界中，自交不親和的策略是成功的,，因為這樣可以帶來更多的基因交流和遺傳性狀組合,，即能讓馬鈴薯家族更好地應(yīng)對復(fù)雜多變的生活環(huán)境。但是,，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)來說,，這種特性可謂是災(zāi)難。因為用種子種出來的馬鈴薯大小不一,，形狀各異,，口味差別大，無法上市銷售,。所以為了保證其薯塊一致性,，到目前為止，絕大部分種植者都是用塊莖作為“種子”來種植馬鈴薯,。
此外,，種植的馬鈴薯通常是四倍體（細(xì)胞內(nèi)有4組染色體），遺傳背景相當(dāng)復(fù)雜,，進(jìn)行雜交培育的時候,，很難取得理想的性狀組合,。這種特性也極大阻礙了馬鈴薯新品種的誕生。
那么中國科學(xué)家是如何突破馬鈴薯種植和育種難關(guān)的呢,？經(jīng)過不斷實踐,，科研人員通過3個步驟解決了這個問題。
首先,，篩選出性狀優(yōu)良的基因純合的父本和母本,，即找到基因組雜合度較低和有害突變數(shù)目較少的目標(biāo)種薯。
第二步,，通過基因組層面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,，確定大效應(yīng)有害等位基因和優(yōu)良等位基因在基因組中的分布。
第三步,，盡可能淘汰那些效應(yīng)比較強的有害突變,，同時，讓優(yōu)良基因處于純合狀態(tài)（純合指純合基因型,，其等位基因呈同質(zhì)狀態(tài),，如AA,、aa,，可真實遺傳），尤其是要打破大效應(yīng)有害突變和優(yōu)良等位基因之間的連鎖,。通過上述3個步驟,，就得到了用于培育優(yōu)良雜交馬鈴薯種子的父本和母本。
●2021年6月,，中國科學(xué)家培育出第一代雜交馬鈴薯種子——優(yōu)薯1號,，首次將“基因組設(shè)計”理念應(yīng)用到馬鈴薯育種中。這項技術(shù)解決了傳統(tǒng)馬鈴薯種植成本高,、易染病蟲害,、育種進(jìn)程緩慢等問題，并成功突破雜交馬鈴薯育種技術(shù)難題,。
得到理想的父本和母本之后,，根據(jù)基因組測序的結(jié)果，選擇基因組互補性比較高的自交系進(jìn)行雜交,，這樣就能獲得優(yōu)勢顯著的雜交種,。
這一項育種工作得到了基因組大數(shù)據(jù)的支持，農(nóng)業(yè)育種再也不是一個單憑經(jīng)驗和運氣的農(nóng)事活動了,。相信在未來,，我們會設(shè)計出越來越多理想的農(nóng)作物。
知識拓展
01土豆可以生吃嗎,？
不可以,！未成熟的土豆中含有可以抑制膽堿酶活性的龍葵素,，從而讓人體積累過多的乙酰膽堿，使神經(jīng)過度興奮,。龍葵素毒性很強,，會使人產(chǎn)生惡心、嘔吐,、腹瀉等癥狀,，嚴(yán)重時還會抽搐、昏迷,，甚至危及生命,。
02發(fā)芽的土豆可以吃嗎？
當(dāng)土豆變青,、發(fā)芽或者腐爛時,，龍葵素的含量會大量增加，不小心食用之后會產(chǎn)生中毒反應(yīng),。如果癥狀比較嚴(yán)重,，就必須要去醫(yī)院哦。
對于發(fā)芽的土豆是否能食用,，東西方廚師的態(tài)度則完全不一樣,，原因是西方烹飪通常用烤和深度油炸的方法，如210攝氏度,、持續(xù)10分鐘深度油炸的條件下,，可以去除40%的龍葵素。這是因為當(dāng)溫度達(dá)到170℃以上時,，龍葵素的“防線”開始松動,。而東方烹飪土豆，通常是用煮和炒的方法,，在這種烹飪溫度條件下很難有效破壞龍葵素,。所以保險起見，建議不要吃發(fā)芽的土豆,。
本文來自《知識就是力量》雜志,，原標(biāo)題《馬鈴薯中的科學(xué)：土豆不“土”》，撰文史軍,，美編周游,，有刪改。
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