农业拨款帮助西非培育更有弹性的山药

农业研究旨在提高重要作物和牲畜物种的可持续性、生产力和营养密度。Illumina的农业大善计划赠款是一个旨在促进该领域研究的奖项，最终目标是通过提高作物产量和提高牲畜福利和生产力来减少营养不良、饥饿和贫困。

2022年的获奖者是Ranjana Bhattacharjee博士他是芝加哥大学的分子遗传学家国际热带农业研究所(IITA)在伊巴丹，尼日利亚。她的研究旨在通过研究山药物种(该地区的主要食物来源)来解决西非的粮食不安全问题全基因组测序．

188金宝搏备用与巴塔查尔吉进行了交谈，以了解更多关于山药物种的遗传分析如何提高作物产量，并为这种研究不足的作物培育更有弹性的品种。

Sarah Whelan (SW):你能告诉我你的研究和你实验室工作的重点吗?

Ranjana Bhattacharjee (RB):我是一名植物育种家和分子遗传学家，我的研究重点是利用分子标记和基因组学辅助育种。我的专业领域是山药和可可，以及芋头和咖啡等其他作物。大多数时候，用传统方法很难对作物的相关性状如产量或抗病性做出任何改变。这是指我们使用基因组学或全基因组关联来了解这些感兴趣的特征，并在基因组学的基础上进行改变。

斯蒂芬尼:这个新项目的重点是山药。你能解释一下山药在农业上和作为食物来源的重要性吗?

RB:首先，我想说的是，在美国等地，山药经常与红薯混淆。然而，它们是两种不同的作物，属于两个不同的科。红薯番薯甘薯，而山药属于属薯蓣属．世界各地有600种山药，分布在亚洲、非洲、拉丁美洲、大洋洲和太平洋地区。在这600个物种中，大约有10个是人工栽培的，比如薯蓣属rotundata，薯蓣属cayenensis而且Dioscoria alata．

由于山药分布广泛，对于近300万人来说，山药是非常重要的粮食安全作物。它们是拥有一到三公顷土地的小农的主要作物。此外，山药的生产成本非常高，因此种植山药的农民经常会卖掉山药，以获得购买其他更便宜的作物的资金，如木薯、玉米或大米。山药也富含淀粉，据报道，与其他淀粉类作物相比，山药的血糖指数最低。

山药也是一种有收入保障的作物。有报道称，山药的市场价值约为137亿美元，在西非被称为“作物之王”。此外，山药含有宝贵的次生代谢产物，如薯蓣皂苷元、皂苷和莽草酸。这些都是制药公司的重要成分。这些代谢物可以合成产生，但也可以从某些山药天然来源。因此，如果这些能被提取出来，就能提供非常大的收入来源。

斯蒂芬尼:你认为当今山药农业面临的主要挑战是什么?

RB:产量低和疾病等问题是主要的挑战。例如，有些疾病会影响某些山药品种，薯蓣属alata会不会患上真菌感染引起的刺盘孢属、炭疽叫做炭疽病。另一种山药，薯蓣属rotundata，可感染病毒，导致山药花叶病。这两种疾病都能使作物减产80%或更多。

生产成本是另一个主要挑战。由于这种作物是藤本作物，所以每一株植物都需要插在地里。西非缺乏机械化使得种植和收获都是劳动密集型的。这些作物是地下块茎，重量可达8或10公斤，每棵植物可以长出多个块茎。另一个挑战是种子系统本身。由于山药是一种无性繁殖作物，农民必须保留一些山药作为种块茎的种植材料。这对农民来说非常困难，因为他们必须为明年保留块茎，同时也要保留一些供自己食用。

最后，有必要承认山药是西非的一种优先作物。尼日利亚是世界上最大的山药生产国，但政策制定者和政府不承认山药是一种优先作物。这使得很难获得用于改进研究的资金，而在遗传学和基因组学方面，改进研究的速度非常缓慢。当我们和政策制定者谈论为什么他们不想优先考虑这些作物时，他们说尼日利亚的产量如此之高，以至于很多块茎都在腐烂。然而，这是由于收获后缺乏储存设施。如果这些作物储存不当，一种一种堆叠起来，就会产生大量热量，块茎就会腐烂，受到昆虫的攻击，容易受到真菌感染。这意味着很多农作物可能会损失。

祝贺你获得2022年Illumina农业大善奖助金。你能描述一下你将在这项资助的帮助下进行的研究的一些目标吗?

RB:该奖项最初计划只对100种基因型进行全基因组测序。然而，在与Illumina进行了大量讨论之后，我非常感谢他们现在已经认识到这种作物的价值，并允许我提交大约1000种山药基因型，包括栽培和野生品种。

西非山药的主要问题之一是两种栽培品种薯蓣属rotundata而且薯蓣属cayenensis(也分别被称为白山药和黄山药)-与野生品种一起生长。农民们进入森林地区，采集野生块茎，将它们培育成规则的圆柱形，这可能需要四到五年的时间。这些块茎被称为栽培白山药。然而，关于这些块茎是白色山药，黄色山药，野生栽培的种间杂交还是完全野生物种，人们有很多困惑。如果它是一个野生物种，它是哪个物种?因此，在这个项目中，主要目标是对许多一起生长的白色、黄色和可能的野生山药进行基因组测序。有了这些，我们就可以了解这些栽培物种和野生物种之间的遗传关系。我们就能知道这些是白山药，黄山药还是种间杂交。

对于第二个目标，我们将研究整合在山药基因组中并且很难分离的病毒DNA。我们将对从山药中提取的100种病毒进行全基因组测序。这将使我们能够在山药基因组中找到病毒抗性的区域。有趣的是，我们已经有了白山药的参考基因组草案，这意味着我们可以将测序数据与现有的参考基因组草案进行比对。这将使我们能够找到保守抗性基因的区域，以及其他重要品质性状的基因，如干物质含量和淀粉品质。

斯蒂芬尼:这项研究如何提高这种作物的可持续性和生产力?

RB:它可能不会直接和立即影响作物的可持续性和生产。然而，从长远来看，一旦我们了解了负责不同性状的基因，我们就可以进行基因组学辅助育种，并快速跟踪育种周期。

目前，产生一个新的山药品种需要8到10年的时间，而且品种周转很低。此外，当改良品种最终投放给农民时，改良品种的采用率也很低。生产者依赖于“地方品种”，即农民适应当地环境的品种。从代谢组学研究中，我们发现本地品种的味道比改良品种要好得多。因此，当我们试图改善一个品种时，产量和一些品质性状(如淀粉性质、矿物质和味道)之间似乎存在负相关。通过全基因组测序，我们将能够找到负责这些性状的基因，并进行基因组学辅助育种，将这些基因转移到这些改良品种中。

基因组测序也会产生大量的数据，所以我们需要做大量的基因挖掘，了解这些基因是否有功能。然而，这将花费比许多其他作物更少的时间，因为人们已经了解了其他作物物种的情况。例如，很多研究都致力于提高我们对水稻的理解，而水稻和山药都是单子叶植物。这意味着我们可以运用许多相同的原理，利用我们对水稻的知识来理解山药的基因功能。总的来说，这意味着我们可能不会立即看到好处，但我相信在未来五六年里，这将对提高可持续性和生产力产生重大影响。

斯蒂芬尼:你认为这项资助对这个相对缺乏研究的课题有多重要?

RB:我认为这是Illumina第一次为研究一种对西非非常重要的作物提供资助。有了这笔拨款和宣传，人们已经开始明白山药是自己的作物，与红薯不同，所以有很多误解已经被消除了。与此同时，许多投资者现在可能会对这些作物感兴趣。我们希望通过这笔赠款，这种作物的地位将从一种孤儿作物转变为一种经过充分研究的作物。基因组测序正在彻底改变作物改良的世界，现在我们将山药添加到经历大规模基因组测序的作物名单中。

Ranjana Bhattacharjee博士接受了技术网络科学作家Sarah Whelan的采访。188金宝搏备用