中国农业科学院×兰州大学合作发表最新Cell论文

马铃薯（俗称土豆），作为全球第三大主食作物，养活了数十亿人口。但你知道吗？它的起源竟是一场跨越 900 万年的“基因爱情故事”。最近，一篇发表在 Cell 期刊上的研究揭开了马铃薯身世之谜：它并非纯种演化而来，而是番茄和一种野生近缘植物杂交的产物。这场古代杂交不仅赋予了马铃薯块茎形成的超能力，还触发了它征服安第斯山脉的生态奇迹。

该研究由中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文院士领衔，于 2025 年 7 月 31 日发表于 Cell 期刊，论文题为：Ancient hybridization underlies tuberization and radiation of the potato lineage。

该研究表明，马铃薯是古代杂交的“混血儿”，源自约 800-900 万年前番茄和类马铃薯的祖先意外结合，表明种间杂交是马铃薯块茎这一创新性状的关键驱动因素。

该研究系统揭示了马铃薯物种的杂交起源、块茎形成和辐射分化，为物种形成机制和马铃薯遗传育种提供了新的理论视角。

马铃薯家族的“寻根之旅”

马铃薯属于茄科植物，其野生近亲多达 107 种，统称为 Petota 谱系。它们都有一个标志性特征——地下块茎（即我们吃的土豆）。但奇怪的是，它的两个近亲谱系却大不相同：

番茄谱系（Tomato）：包括 17 种番茄，主要生长在低海拔温暖地区，果实可食但无块茎。

类马铃薯谱系（Etuberosum）：仅 3 种野生植物，分布于南美洲南部，虽有地下根茎，但不会膨大成块茎。

科学家们长期困惑：马铃薯的块茎是如何诞生的？通过分析 128 个基因组（包括 88 个单倍型解析基因组），研究团队发现了一个惊人的秘密：马铃薯谱系是古代杂交的“混血儿”。约 800-900 万年前，番茄和类马铃薯的祖先意外结合，诞生了马铃薯的始祖。这场杂交事件恰逢安第斯山脉剧烈抬升（600-1000万年前），为后续演化铺平了道路。

杂交的“基因魔法”：块茎的诞生密码

杂交不只是简单混合基因，更像一场精密的“基因拼图”。研究团队通过功能实验发现，马铃薯块茎的形成源于双亲基因的互补继承：

来自番茄的“光信号基因”：例如 SP6A（类似开花基因），负责触发地下匍匐茎的膨大。

来自类马铃薯的“调控基因”：例如 IT1（茎发育调控因子），确保块茎在正确位置形成。

也就是说，番茄贡献了“启动开关”，类马铃薯提供了“定位导航”，两者结合才让马铃薯长出可储存养分的块茎。研究团队使用 CRISPR 基因编辑技术进行基因验证，结果显示，当敲除 SP6A 基因时，块茎无法膨大；而敲除 IT1 基因时，植株连地下茎都长不出来。

更妙的是，这种基因组合是“杂交专属”。番茄的 SP6A 基因无法与类马铃薯的 IT1 互动，只有马铃薯继承了兼容版本——仿佛是自然选择为它定制的“生存工具包”。

块茎：马铃薯征服世界的“秘密武器”

块茎不仅是食物储存库，更是一场进化革命的开端。研究显示，杂交后的马铃薯获得了三大优势：

1、无性繁殖保险：块茎让它在高寒的安第斯山区（温度低、生长季短）通过克隆繁殖存活，避免杂交后的生育力下降。

2、基因多样性爆发：杂交引入的变异基因在后续演化中被“筛选重组”，催生了 107 个野生马铃薯物种。基因组分析揭示，约 40% 的基因在不同分支中表现出亲本特异性分化，如同打开了进化“加速器”。

3、生态位扩张：相比番茄（适应温暖干燥区）和类马铃薯（喜湿冷），马铃薯成功入侵了季节性干旱草原、高寒草甸等多样环境。实验证明，马铃薯的耐寒基因更接近类马铃薯，印证了杂交带来的适应性升级。

科学启示：杂交如何改写进化规则

这项研究颠覆了传统认知：

1、杂交是创新的引擎：过去认为杂交只是物种形成的“配角”，但马铃薯证明它能直接创造新性状（例如块茎），驱动辐射演化。

2、作物育种的启示：理解块茎基因的杂交起源，有助于设计抗寒、高产的马铃薯品种，未来或能通过模拟古代杂交培育“超级土豆”。

3、进化论的活教材：杂交并非偶然，在地质剧变中（例如安第斯造山），它成为生命突围的“捷径”。

从 800-900 万年前的偶然邂逅，到今日全球餐桌的主角，马铃薯的崛起是一场基因、地质与机遇的交响曲。它的故事提醒我们：自然界的伟大创新，往往始于意外的融合。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文院士、兰州大学刘建全教授、加拿大英属哥伦比亚大学 Loren Rieseberg 教授以及英国自然博物馆 Sandra Knapp 研究员为该论文共同通讯作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所张智洋博士、张平贤博士后、华中农业大学在读博士生丁亦苑、南京林业大学王则夫教授为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国农业科学院科技创新工程等项目支持。