基因組學結合傳統育種獲得優質主食作物

　　 “我喜歡這個。”Ismail Rabbi邊說邊將手掌放在木薯上，就像父母在夸贊自己心愛的孩子，他羞澀地笑了。“它們看上去沒什么了不起的——并不高。”Rabbi說，“但它克服了我們設置的所有障礙。”

　　Rabbi是尼日利亞伊巴丹國際熱帶農業研究所（IITA）的遺傳學家。他和同事正在開展一項改良木薯的研究。木薯根部富含淀粉，為全球8億多人提供了食物和收入。非洲木薯消耗量最高，但產量卻比亞洲和南美洲低。不過，非洲的木薯品種往往更能抵抗枯萎病，比如目前正在亞洲擴散的致死性木薯花葉病。

　　去年11月，Rabbi將5個抵抗該疾病的非洲木薯品種運往泰國——全球最大的木薯進口國。他和同事在耗資6200萬美元的“下一代木薯育種工程”的資助下培育了這些植物。這項工程由英國政府以及比爾和梅琳達·蓋茨基金會于2011年創建。隨著氣候變暖、人口不斷增長，木薯病毒也在擴散。項目科學家正利用基因組數據辨別滿足全球需求的木薯品種的有用特征并進行繁育，以對抗饑餓。

　　當這些非洲植物抵達泰國后，泰國科學家將其與亞洲木薯品種進行雜交，并篩選以獲得“后代”，Rabbi和同事據此尋找用于預測植物對抗花葉病毒以及其他12種性狀的遺傳標記。這些性狀包括葉子顏色以及每個根的可食用淀粉量。

　　這些遺傳標記曾幫助尼日利亞研究人員繁育出8種目前正在該國試驗田生長的木薯。科學家和農民將把它們同現有廣泛使用的最好木薯品種進行比較。

　　11月的一個炎熱下午，Rabbi和“下一代木薯育種工程”負責人、IITA 遺傳學家Chiedozie Egesi在繁育木薯新品種的試驗田中漫步。他們討論如何幫助農民使用新木薯品種的農藝，以及經濟策略，比如創造針對這些作物的市場。“我們不能只坐在房間里，然后確保這些木薯表現得完美就可以了。”Egesi說，“我們正在將其帶往出現問題的地方，并且一直研究如何讓我們的科學研究派上用場。”

　　問題根源

　　木薯是三大洲自給農業農民的主要生計來源，因為它能在貧瘠的土壤中生存且耐干旱，此外，其根部可隨時收獲。不過，木薯的產量地理差異很大，在非洲生長的木薯每公頃平均產出8.8噸可用根，而在美洲和亞洲，每公頃的產量分別為13噸和22噸。

　　研究人員一直試圖通過進口亞洲和南美洲品種改善非洲農民的處境。不過，這些外來植物難以對抗非洲病原體，因此“表現得很糟糕”。

　　事實證明，繁育生命力更強的雜交品種具有挑戰性。研究人員要花費5年時間繁育，才能獲得一個有價值的雜交品種。此后，育種者還必須用約1年的時間種植試驗性植物，以及評估根系的質量——這需要收割、浸泡、切塊并且晾干，之后為剩余淀粉稱重。即便這樣，高產量的木薯暴露于惡劣的環境下也可能出問題。

　　這種低效的繁育過程浪費土地、人力和金錢。同時，盡管木薯是非洲人碳水化合物食物的最大來源之一，但從全球銷量和研究經費的角度看，玉米、小麥和水稻遠遠超過了它。“下一代木薯育種工程”旨在通過利用基因測序辨別優質雜交品種，加速繁育生命力更強的木薯并且提高產量。項目研究人員還致力于刺激市場投資，他們通過與打算購買并處理由小規模農場主種植的木薯根部的尼日利亞企業家進行對話加以實現。

　　澳大利亞墨爾本莫納什大學植物科學家Ros Gleadow表示，這項努力早就該進行了。“木薯最終獲得認可，真是太棒了。”Gleadow說。

　　日益增長的雄心

　　正在試驗田生長的8個木薯品種是IITA團隊第一輪作物繁育的產品。研究人員分析了2013年發芽的約2500株幼苗的DNA，并且基于同特定性狀存在關聯的基因序列辨別出有前景的品種。Rabbi介紹說，2018年10月分析的數據顯示，擁有同高含量β—胡蘿卜素相關的遺傳指紋的幼苗，有83%的幾率按預測的水平“排放出”這種營養物質。β—胡蘿卜素是維生素A的前體，而后者在很多非洲人的飲食中完全缺失。同時，研究表明，擁有抵抗木薯花葉病的遺傳標記的品種在約60%的時候具備抗性。

　　“基因組選擇并非靈丹妙藥。”Rabbi說，“但田間測試花費太高，這種方法至少能幫助你減少費用。”

　　全球育種者已利用尼日利亞中心的數據測試木薯品種對花葉病的抗性。枯萎病病毒通過粉虱擴散，會抑制木薯根部生長。這些病毒早在非洲肆虐，導致了上世紀20年代和90年代的饑荒。2015年，一種毒株出現在柬埔寨。

　　在木薯受導致花葉病的病毒侵害最嚴重的泰國、南美洲和太平洋島國，農民們希望通過傳統育種，將來自非洲的抗性等位基因混合進他們的作物中。一株哥倫比亞木薯和一個尼日利亞品種之間的此類雜交受助于“下一代木薯育種工程”研究人員辨別出的標記物，目前正在IITA附近的測試田中生長。

　　2020年，科學家將從目前表現最好的8個品種中選擇一些植株，并在尼日利亞種植。他們還正同泰國、老撾、巴西、烏干達和坦桑尼亞的研究者就把木薯品種運送到這些地方進行討論。同時，該團隊正試圖尋找辦法，幫助農民采用新產品。

　　“播種”解決方法

　　2005年，一株木薯品種受到了科學家、援助機構和各媒體的吹捧，該品種是通過比爾和梅琳達·蓋茨基金會資助的1200萬美元項目培育的。該項目名為“木薯生物營養促進計劃”，旨在通過基因改造一個木薯品種，將鐵、鋅和其他營養物質包括進來。Egesi知道，極少有非洲農民能負擔得起使作物存活所需的開支，包括殺蟲劑。“我以前是個害羞的人，但現在四處發言。”Egesi說，“我正在確保我們想到了所有事情，而不是技術本身。”

　　當尼日利亞農民被問及為何不更多地種植其喜愛的木薯品種時，他們通常的回答是沒有足夠的作物。木薯通過播種成熟植株的莖稈進行繁殖，而非播撒種子，每個剪下的莖稈長出其“父母”的“克隆體”，因此在一塊田地種滿同一品種耗時很長。同時，長期按照此方法種植，木薯品種質量會下降，因為“克隆體”遺傳了來自“父母”的病原體并且產生突變，從而導致“突變融解”。

　　2016年，IITA遺傳學家Elohor Mercy Diebiru-Ojo和同事開發了一種新方法：針對木薯的首個半水培系統。在Diebiru-Ojo實驗室的熒光燈下，纖細的木薯芽在充滿潮濕土壤的透明塑料箱子中生長。每兩周，該團隊會剪掉分枝的芽，并且將片段移植到另一個箱子中。2個月內，他們利用一株已經能在戶外種植的木薯產生了100株幼苗。

　　Diebiru-Ojo說，她知道一些農民表示愿意為這種優質作物掏錢包。她希望，這會促進高質量木薯芽的銷售，從而使相同的作物不會被克隆很多代。“當這個項目結束時，我想讓該系統繼續運行。”

　　如果新品種無法生根，病毒最終將“如愿以償”。Egesi站在木薯田中向外凝望時說，“看到這些木薯沒有表現出疾病跡象，我真的非常激動。一旦這些品種通過政府審批，我們會在第一時間將其推廣給人們”。