封面新闻记者 马晓玉

马铃薯基因组上亲本镶嵌的“马赛克”式遗传组合

土豆，又称马铃薯、洋芋，原产于南美洲。当它漂洋过海来到中国之后，这里的人将它开发到了极致：融入各地菜系，如云南的“洋芋粑粑”、东北“地三鲜”；开发功能性产品，如富硒土豆米、彩色花青素土豆等。现如今，我国的科学家们更是先一步帮土豆找到了“妈妈”。

7月31日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）黄三文团队联合中外科研团队发表研究成果。他们发现，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）。在此之前，科学家们一度认为类马铃薯是马铃薯的直接祖先，是“不结薯的马铃薯”。

土豆这场寻“根”之旅终于有了眉目，那接下来呢？8月5日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所相关负责人告诉封面新闻记者，有针对性的育种改良是关键。番茄可能不仅仅是马铃薯的过去，还将成为马铃薯的未来。

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悬疑：土豆的“身世之谜”

一般的驯化物种，都能找到一两种“祖先”。比如小米驯化自狗尾草，家牛出自原牛，但马铃薯是个例外——它的“裙带关系”过多了。

在分类学上，马铃薯组（包含栽培马铃薯和107个野生种）和番茄组（包含栽培番茄和16个野生种）、类马铃薯组（包含3个野生种）属于姊妹类群。在形态上，土豆和类马铃薯更加相似。然而，分子进化学分析证明，番茄和土豆的亲缘关系更近一些。

土豆、番茄、类马铃薯这三者究竟是什么关系？土豆的“身世”也由此成了科学史上的一桩“悬案”。

这也不怪科学家们不给力，土豆的历史确实悠久而复杂。早在公元前2800年的秘鲁古墓中就出现了供食用的土豆。到如今，全球共有约5000个土豆品种，这些品种形态各异、颜色多样，有的表皮光滑，有的布满斑点；有的呈金黄色，有的则是紫色、红色，让人目不暇接。

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破案：“爹”是类马铃薯，“妈”是番茄

为了帮土豆“认祖归宗”，团队成员可是下了大功夫。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。这相当于给土豆所有的疑似亲戚都做了一遍“DNA亲子鉴定”。

基因组信息揭示马铃薯的“身世之谜”

研究发现，所有土豆个体都包含来自类马铃薯和番茄植株的稳定平衡的遗传贡献，来自番茄与类马铃薯的遗传贡献比例约为4 ：6。研究人员由此推测，马铃薯可能是两者杂交诞生的“混血儿”。

为验证这一猜想，研究人员进一步评估了三者的分化时间。研究发现，类马铃薯和番茄约在1400万年前开始分化，在分化约500万年后，类马铃薯和番茄发生杂交，并于约900万年前形成了最早带有薯块的马铃薯植株。

两个薯块功能基因DRN和CLF的突变体表型

自此，土豆的“身世之谜”终于水落石出。马铃薯是类马铃薯和番茄杂交产生的物种。按照质体基因组的亲缘关系，番茄为母本，类马铃薯为父本。

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猜想：薯块如何无中生有？

然而，让研究人员好奇的是，土豆的爹——类马铃薯没有薯块，妈——番茄连地下茎都没有。那么，土豆的地下块茎是哪里来的呢？

黄三文团队提出了一个大胆的猜想：这可能是基因组重组的结果！番茄和类马铃薯这两个家族的祖先杂交后，它们的基因重新组合，意外地创造出了“薯块”这个独特的器官。

马铃薯基因组上亲本镶嵌的“马赛克”式遗传组合

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。研究发现，新器官薯块的形成是亲本来源的等位基因重新组合和交互调控的结果。

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。

当马铃薯受到不同环境条件胁迫时，这种“马赛克式”的遗传组合像“智能筛子”一样，从宝库中筛选出最佳基因组合，使得马铃薯能够适应多种生态环境。

与此同时，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。

古杂交事件驱动马铃薯谱系的薯块形成与辐射演化

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预测：番茄是过去，也是未来

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......研究人员如此大费周章，难道只是单纯地想帮土豆寻亲？

要回答这个问题，首先需要来了解一下土豆的诸多优秀品质。

一直以来，土豆就有 “粮食界卷王”的称号。从营养成分上来说，人类需要的碳水、蛋白质、维生素、微量元素，它几乎样样齐全。土豆所含维生素是小麦和稻米的7倍，各类微量元素含量是稻米、甘薯的2倍左右。理论上，只要身边有土豆和牛奶，你就可以在一个被困的环境下一直生存下去；

从产量上来说，土豆超过玉米成为了第三大主粮作物，与位居前二的小麦和水稻相比，土豆的产量极高，单位面积产量是它们的好几倍，全球年产量达 3.74 亿吨，养活了超过 13 亿人；

从应对粮食安全挑战来看，它适应性超强，耐寒、耐旱又耐贫瘠，能在各种复杂的环境中扎根生长，无论是高海拔的山区，还是干旱少雨的荒漠边缘，都有它顽强的身影；

需要知道的是，土豆并非生来就如此贴合人类的“审美”。5000年前的它并不像现在这样味美可口，而是带有浓重的苦涩味，个头也不太大。经过一代代人上千年的筛选，土豆才终于成为了低毒又相对高产的作物。到这里，科学家们前仆后继帮土豆寻亲的理由已经显而易见，即有针对性地进行马铃薯育种改良。

很少有人知道，我们在快餐店吃的薯条几乎都来自一百多年前育成的马铃薯品种，马铃薯育种进程之缓慢可见一斑，而问题的关键之一就在于薯块由来的未知。

论文第一作者、基因组所已毕业博士生张智洋告诉记者，“几千年来，育种家们已经选育出又大又好吃的薯块，但是薯块器官怎么获得的一直是个未解之谜。这限制了我们对其进一步去改良。大量围绕着薯块发育的研究一直在开展，但是进度较为缓慢。所以我们站在进化的角度，重新去追溯这个谜题，发现了是杂交事件导致了薯块新器官的形成，也发现了很多重要的薯块基因，这些为我们后续改良马铃薯育种提供了全新的思路。”

记者在知网上搜索“马铃薯”，相关主题达3.25万个，与“马铃薯品种”有关的主题超过2700个，马铃薯育种的重要性可见一斑。国际马铃薯中心的研究数据也显示，通过科学育种和种植技术的应用，马铃薯的产量还有很大的提升空间。

正如论文通讯作者黄三文在采访中所言：番茄可能不仅仅是马铃薯过去的一部分，还将成为马铃薯未来的一部分。可以预见的是，当马铃薯的基因组密码被逐步破译，它将继续滋养人类的下一个千年。

（图片源自中国农业科学院深圳农业基因组研究所官方公众号）