打破二倍体杂交马铃薯育种中的自交不亲和性：进展、机制与新兴技术 综述：Breaking Self-Incompatibility for Diploid Hybrid Potato Breeding: 进展、机制与新兴技术

《Frontiers in Plant Science》：Breaking self-incompatibility for diploid hybrid potato breeding: advances, mechanisms, and emerging technologies

　　

马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为全球重要的块茎类粮食作物，在保障粮食安全中具有重要战略地位。传统四倍体马铃薯育种依赖营养系克隆繁殖和 Potato（马铃薯） tuberosum 的种内杂合遗传背景，但面临着育种周期长、遗传负荷累积、块茎繁殖效率低及病毒传播风险高等瓶颈问题。为突破上述限制，研究者提出了基于纯合自交系（homozygous inbred lines）的二倍体杂交马铃薯育种新策略，旨在建立类似水稻（Oryza sativa）或玉米（Zea mays）的杂交种子生产体系。然而，大多数二倍体马铃薯存在强烈的配子体自交不亲和性（gametophytic self-incompatibility, GSI），严重阻碍了自交系的创制与杂交育种进程。近年来，马铃薯自交不亲和性的分子机制研究取得了重要突破，涵盖S-位点（S-locus）、S-RNase（S-核糖核酸酶）、S-位点F-box（SLF）/S-位点F-box brother（SFB）等核心基因的功能解析，以及关键的自交亲和性调控因子——S-位点抑制基因（S-locus inhibitor, Sli）的发现与分子验证。同时，Sli基因导入、基于CRISPR-Cas9的基因组编辑、单倍体诱导及无融合生殖（apomixis）等创新策略的应用，为解决自交不亲和性、加速纯合自交系构建及推动二倍体杂交育种提供了多元化的技术路径。本文系统综述了马铃薯自交不亲和性分子机制的最新进展、克服自交不亲和性的关键技术手段，以及二倍体杂交育种的新兴模式，并整合基因组编辑、快速育种与无融合生殖等前沿技术，为二倍体杂交马铃薯的遗传改良提供理论参考与实践指导。

## 1. 引言

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球第三大粮食作物，对保障世界粮食安全具有不可替代的作用。然而，传统四倍体马铃薯育种长期受限于四体遗传（tetrasomic inheritance）复杂性高、育种周期冗长、块茎繁殖成本高昂及病毒累积传播等问题。为应对这些挑战，基于二倍体水平、利用实生种子（true potato seed, TPS）进行生产的杂交育种体系逐渐兴起，有望重构马铃薯育种范式。该体系的核心前提是建立可稳定自交的纯合自交系，但二倍体马铃薯中普遍存在的配子体自交不亲和性（gametophytic self-incompatibility, GSI）构成了根本性障碍。除GSI外，二倍体种质中严重的自交衰退（inbreeding depression）、高负荷有害突变（deleterious mutation load）及雌雄配子育性下降等问题亦制约着育种进程。本文聚焦马铃薯自交不亲和性分子机制的最新研究进展、关键技术突破及创新育种体系，并对未来研究方向进行展望。

## 2. 二倍体马铃薯自交不亲和性的分子基础

### 2.1 S-位点与配子体自交不亲和性机制

二倍体马铃薯的GSI属于典型的S-RNase依赖性配子体自交不亲和系统，该机制在茄科（Solanaceae）中高度保守。其遗传基础为单个高度多态性的S-位点，该位点紧密连锁两个分别负责雌、雄识别的关键基因：雌性决定因子S-RNase（核糖核酸酶编码基因，仅在花柱传递组织中特异性表达）和雄性决定因子SLF/SFB基因簇（在花粉及花粉管中特异性表达）。

自交与异交识别的"协作非己识别模型"（collaborative non-self-recognition model）解释了这一精密的分子识别过程。在花粉管生长过程中，自身及非自身的S-RNase均可进入花粉管。在不亲和（自交）授粉中，自身的S-RNase未被识别并保留细胞毒性，通过降解rRNA及触发更广泛的细胞毒性与信号级联反应，导致花粉管去极化、细胞骨架解体及生长停滞，最终造成受精失败。而在亲和（异交）授粉中，特异性的SLF蛋白识别并结合非己S-RNase，组装Skp1-Cullin1-F-box（SCF）E3泛素连接酶复合体，介导非己S-RNase经26S蛋白酶体途径降解，从而解除细胞毒性，保障花粉管正常生长并完成受精。S-位点具有共显性、极端等位基因多态性及平衡选择维持等遗传特性，使其成为二倍体马铃薯育种中持久存在的遗传障碍。目前，SLF/SFB蛋白识别并解毒S-RNase的精确作用模式及分子特异性仍有待深入阐明。

### 2.2 Sli基因：克服自交不亲和性的关键决定因子

Sli（S-locus inhibitor）基因的鉴定与功能表征是二倍体杂交马铃薯育种中的里程碑式突破。该基因最初来源于自交亲和（self-compatible, SC）的 Solanum chacoense 种质，随后在多个自交亲和栽培二倍体马铃薯克隆中被鉴定。Sli被定位至12号染色体，并完成了精细定位与基因克隆。转基因互补实验证实该基因赋予自交亲和性，而其敲除则恢复自交不亲和表型。

分子研究表明，Sli编码一种非S-位点F-box蛋白，作为广谱兼容性因子发挥作用。Sli通过在花粉特异性表达的方式抑制自身S-RNase的细胞毒性活性，从而有效打破GSI屏障，使通常自交不亲和的二倍体马铃薯实现稳定自交。进一步机制研究发现，Sli启动子区的MITE转座子插入与其花粉特异性表达密切相关，但该插入并非在所有遗传背景下都是自交亲和所必需的。值得注意的是，Sli的功能表现不完全外显（incomplete penetrance）：部分携带Sli等位位点的基因型仍呈现残余自交不亲和性，表明其表达受遗传背景及额外修饰因子的调控。Sli纯合状态在适应性材料（如M6）中可获得，但在某些遗传背景下与致死性或分离畸变（segregation distortion）关联。尽管如此，Sli仍是实现自交亲和、构建纯合自交系的核心工具。

### 2.3 自交亲和性的其他修饰因子

除核心Sli基因外，多种调控基因和通路组分作为修饰因子影响自交不亲和/自交亲和反应。这些因子或独立、或与核心调控因子协同作用，调控花粉-雌蕊互作、花粉管伸长及下游信号传导。

#### 2.3.1 HT-B蛋白

HT-B（high temperature B）蛋白是花柱特异表达的富含半胱氨酸蛋白，在调控S-RNase稳定性及细胞毒性方面具有保守且关键的作用。功能研究证实，HT-B可直接与S-RNase互作，调控其在花柱传递组织中的积累、稳定性及亚细胞定位。HT-B的沉默或突变可减弱自交不亲和排斥反应、缓解S-RNase介导的花粉管生长抑制，并在茄科作物中促进自交亲和转变。

#### 2.3.2 硫氧还蛋白

硫氧还蛋白（thioredoxins, Trx）是维持植物生殖发育过程中蛋白质构象与氧化还原稳态的关键调控因子。该类蛋白可调节S-RNase及下游信号组分的氧化还原状态，减轻自身S-RNase对花粉管的细胞毒性效应，从而缓解自交不亲和反应。

#### 2.3.3 钙信号通路组分

钙信号组分，包括钙离子通道及钙依赖性蛋白激酶（calcium-dependent protein kinases, CDPKs），是调控花粉管生长、极性建立及胁迫响应的核心第二信使系统。钙稳态的改变可影响花粉管细胞骨架组构及生长行为，间接调控自交不亲和排斥反应的 intensity。

## 3. 克服自交不亲和性的策略

### 3.1 通过常规与分子育种导入Sli基因

将功能性Sli等位基因导入优良二倍体种质是打破固有GSI屏障、推动马铃薯从异交克隆育种向二倍体自交系杂交育种转化的核心策略。该策略整合常规杂交程序与现代分子标记辅助选择（marker-assisted selection, M），通过将携带Sli的稳定自交亲和供体材料与高产、优质、抗病的优良自交不亲和亲本系杂交和回交，利用分子标记追踪技术在分离后代群体中筛选携带目标Sli等位基因的个体，以快速纯合遗传背景并剔除冗余外源片段。基于竞争性等位基因特异性PCR（kompetitive allele-specific PCR, KASP）的诊断性基因分型标记极大提升了Sli基因分子标记辅助导入的准确性、高通量性和效率。相比传统凝胶电泳分子标记，KASP标记可实现大规模育种群体中Sli位点的快速等位基因鉴别，在苗期准确区分纯合显性、杂合及纯合隐性基因型，有效避免未分型材料盲目自交造成的育种资源浪费，加速自交亲和改良系的育种进程。

然而，在实际自交系持续纯合与育种推广中，Sli基因导入育种的广泛应用仍受限于二倍体马铃薯中普遍存在的自交衰退负面效应。长期连续自交导致大量隐性有害遗传变异的纯合，引发植株长势显著下降、花器官发育异常、花粉育性降低、块茎产量与品质劣化等系列不利现象。此外，自交过程中分离畸变不仅发生于Sli所在的12号染色体，更遍及全基因组，导致严重的个体选择损耗与优良系谱淘汰。尽管KASP标记辅助选择可在基因型水平精准筛选携带Sli等位位点的个体，但无法完全捕捉多基因调控及表观遗传效应引起的微妙表型变异和综合遗传背景差异。因此，系统性的自交亲和特性及农艺性状表型鉴定与田间验证仍是育种中不可或缺的关键环节。

### 3.2 通过基因组编辑打破自交不亲和性

随着精准基因组编辑技术的快速发展，CRISPR-Cas9介导的定向敲除已成为打破二倍体马铃薯自交不亲和性的新兴有效策略，是对常规育种手段的有价值补充。该方法直接靶向GSI信号通路的核心基因——主要是雌性决定因子S-RNase基因及关键调控因子HT-B基因，无需反复杂交和表型选择即可直接改良优良自交不亲和种质。早期研究首次通过定点敲除S-RNase实现了稳定自交亲和表型，为基于编辑的自交不亲和性改造奠定了框架。后续功能研究进一步证实，CRISPR-Cas9介导的S-RNase或HT-B基因破坏可有效将自交不亲和二倍体系转化为自交亲和表型。

基因组编辑作为工程化改造自交亲和性的可靠工具仍面临若干实际与技术约束。脱靶效应（off-target effects）仍是主要的遗传与生物安全顾虑，即便经优化的向导RNA（guide RNA, gRNA）设计与编辑体系亦无法完全消除。此外，马铃薯遗传转化与植株再生效率具有强烈的基因型依赖性，限制了其在多样育种种质中的普适应用。不同国家和地区的基因组编辑作物监管框架差异显著，导致生物安全监督与商业化标准不一，进一步制约了技术的实际推广。总体而言，基因组编辑为自交不亲和性改良提供了前景广阔的补充途径，但其在马铃薯遗传改良中的规模化商业育种应用尚处于探索发展阶段。

## 4. 二倍体杂交马铃薯育种的创新范式

### 4.1 自交系创制与杂种优势利用

自交亲和性的建立是构建纯合自交系的前提，而后者构成了二倍体杂交马铃薯育种的核心亲本基础。利用Sli基因导入或CRISPR编辑获得的自交亲和材料，育种者可逐步固定纯合性并开发具备优良农艺性状的稳定自交系。与基于连续自交的传统纯化途径不同，单倍体诱导（haploid induction）与双单倍体（doubled haploid, DH）技术可作为下游辅助手段加速自交系创制。该技术不直接改变自交不亲和的内在机制，但通过产生完全纯合的二倍体系绕过连续自交过程。花药培养是四倍体马铃薯中广泛应用的离体培养方法，可有效获得倍性变异植株。但DH技术的应用需以Sli基因导入或基因组编辑先克服自交不亲和为前提，且仍面临诱导效率的基因型依赖性、染色体加倍成功率不稳定、加倍后育性恢复差及完全纯合后有害隐性等位基因暴露等挑战。

遗传背景差异显著的自交系间杂交可产生具有显著杂种优势（heterosis）的F₁杂交种，表现在增强的抗逆性、更均一的块茎性状及更广的环境适应性。最大化杂种优势效应很大程度上取决于亲本系间的遗传互补性，需要合理选配具有兼容遗传背景及互补表型特征的自交亲和系。

### 4.2 自交不亲和性循环利用与杂交种纯度保障

自交不亲和性循环利用是提升杂交实生种子生产效率的创新策略，其通过F₁杂交种中来源于双亲的S-单倍型（S-haplotype）分离恢复自交不亲和性，从而减少人工去雄的依赖。该策略在杂交种中重建的自交不亲和性可有效防止自花授粉，促进异交，从而在无需密集人工干预的情况下提升杂交种子纯度。但该策略的稳定性和效率仍受S-位点基因型、遗传背景及环境条件影响，大规模育种应用前尚需进一步验证。

### 4.3 快速育种与基因组选择的整合应用

快速育种（speed breeding）、基因组选择（genomic selection, GS）与精准基因组编辑的整合为加速二倍体杂交马铃薯育种提供了有前景的技术框架，这些工具的应用均以自交亲和性的实现为前提。快速育种通过优化生长条件（如延长光周期、调控温湿度）缩短世代周期，加速自交亲和材料的世代推进。基因组选择支持复杂性状的早期、高通量预测，提高自交亲和系筛选及潜在杂交组合评估的效率。当与自交不亲和相关基因的靶向编辑相结合时，这些工具可显著简化育种流程；但需注意，其效率在不同遗传背景下存在差异，长期田间表现仍有待充分验证。

### 4.4 替代生殖策略：无融合生殖

无融合生殖是一种不经受精即可产生克隆种子的无性生殖方式，代表了绕过有性生殖与自交需求的替代策略。该策略不改变自交不亲和的内在机制，但完全规避了性生殖过程。常规F₁马铃薯杂交种虽具强杂种优势，但通过实生种子繁殖会导致遗传分离和杂种优势的逐代衰退。无融合生殖可通过产生与母本杂交种基因型完全一致的克隆种子，维持杂交种遗传均一性，从而稳定跨代杂种优势表现。

实现功能性无融合生殖需要三个关键生物学过程的协同调控：无减数分裂（apomeiosis，绕过大孢子母细胞的减数分裂形成未减数雌配子）、孤雌生殖（parthenogenesis，不经受精激活卵细胞发育为胚胎）以及自主胚乳发育（autonomous endosperm development，无需受精形成功能性胚乳）。这些发育事件的精确同步化是马铃薯中稳定工程化无融合生殖的主要生物学挑战。近期研究在马铃薯无融合生殖领域取得了初步探索性进展，核心无融合生殖相关基因的操作已在二倍体马铃薯种质中成功诱导部分无融合生殖表型。然而，完全稳定、可遗传且具备农艺功能性的无融合生殖马铃薯品系尚未实现，其在生殖效率、遗传稳定性及稳定遗传性方面的关键问题仍待解决。

## 5. 未来展望

面向二倍体杂交马铃薯育种的未来研究，应在深入理解自交不亲和性机制的基础上，理性整合自交亲和相关技术，平衡短期可及目标与长期探索性方向。

短期内，核心任务在于提升Sli基因导入育种体系的效率与稳定性，并优化基因组编辑介导的自交亲和诱导体系。必须认识到，Sli介导的自交亲和性并非在所有遗传背景中均表现一致，其功能受额外遗传修饰因子及环境条件调控。深入表征这些调控互作将有助于提升不同优良种质中自交亲和转化的稳健性与可预测性。其他短期优先事项包括优化自交系创制的育种流程、减轻自交衰退及有害遗传负荷的负面影响、提升自交亲和性状表型筛选的可靠性。

长期而言，无融合生殖等更具探索性的途径为克隆杂交种子生产提供了理论潜力，但稳定可遗传的系统尚待建立。无融合生殖研究应重点关注无减数分裂、孤雌生殖和自主胚乳发育的协同调控，同时需承认其在实现路径上相对于经典模式生物（如 Hieracium）存在显著生物学障碍。此外，拓展二倍体种质多样性将为发现Sli以外的新型自交不亲和修饰因子及亲和性调控因子提供遗传资源，支持更灵活、更具弹性的杂交育种体系建设。

总体而言，二倍体杂交马铃薯育种的可持续进步依赖于机制研究的精准性、新兴技术应用的审慎平衡，以及短期可行改进与长期创新目标之间的清晰优先级划分。