約900萬(wàn)年前，一場(chǎng)遠(yuǎn)古的“基因聯(lián)姻”締造了如今全球第三大主糧作物——馬鈴薯。這場(chǎng)“聯(lián)姻”不僅創(chuàng)造了馬鈴薯這個(gè)新物種，還催生了新器官——薯塊的產(chǎn)生，并引發(fā)了馬鈴薯物種爆發(fā)式的輻射分化。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中外科研團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)表的研究論文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(wàn)年前番茄組和類馬鈴薯組的一次古雜交事件，這次雜交產(chǎn)生了新器官（薯塊）。該研究為馬鈴薯遺傳育種提供了全新的理論視角。

馬鈴薯是最重要的薯類作物，原產(chǎn)于南美洲，因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適應(yīng)能力強(qiáng)而被傳播到世界各地，為全球13億人提供主食。在分類學(xué)上，馬鈴薯組包含栽培馬鈴薯和107個(gè)野生種，與番茄組和類馬鈴薯組屬于姊妹類群。形態(tài)上，馬鈴薯和類馬鈴薯更加相似，一度認(rèn)為類馬鈴薯是馬鈴薯的直接祖先。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。

為揭開(kāi)馬鈴薯的身世之謎，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了來(lái)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(gè)體都包含來(lái)自類馬鈴薯和番茄植株的穩(wěn)定平衡的遺傳貢獻(xiàn)，比例約為4:6。研究人員推測(cè)，馬鈴薯可能是兩者雜交誕生的“混血兒”。進(jìn)一步評(píng)估三者的分化時(shí)間后，研究發(fā)現(xiàn)類馬鈴薯和番茄約在1400萬(wàn)年前開(kāi)始分化，在分化約500萬(wàn)年后發(fā)生雜交，形成了最早帶有薯塊的馬鈴薯植株。

馬鈴薯特有的薯塊是如何進(jìn)化出來(lái)的？黃三文團(tuán)隊(duì)提出這可能是基因組重組的結(jié)果。番茄和類馬鈴薯這兩個(gè)家族的祖先雜交后，基因重新組合，意外地創(chuàng)造出了“薯塊”這個(gè)獨(dú)特的器官。研究發(fā)現(xiàn)，控制薯塊形成的“主開(kāi)關(guān)”基因SP6A來(lái)源于番茄組，而調(diào)控地下莖生長(zhǎng)的關(guān)鍵基因IT1繼承自類馬鈴薯。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)薯塊功能相關(guān)基因DRN和CLF，分別來(lái)源于番茄組和類馬鈴薯組，缺少任一基因都會(huì)影響薯塊的正常發(fā)育。

“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(kù)。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。這種遺傳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。薯塊不僅能夠儲(chǔ)存水分和淀粉，幫助馬鈴薯度過(guò)干旱、寒冷季節(jié)，還賦予了馬鈴薯無(wú)需種子或授粉即可繁殖的能力，通過(guò)薯塊上的芽直接萌發(fā)新植株。

該研究首次揭示了馬鈴薯起源于番茄與類馬鈴薯祖先種之間的一次古老雜交事件，并導(dǎo)致新器官薯塊的產(chǎn)生，加速了馬鈴薯物種爆發(fā)式的輻射分化。審稿人評(píng)價(jià)該工作首次發(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(guò)程中的關(guān)鍵作用提供了新范式。