通过追溯马铃薯的深层祖先，研究人员揭示了一个令人惊讶的起源故事：现代马铃薯大约在九百万年前，由番茄近亲与一种类野生马铃薯物种自然杂交而产生。

这项发表在《细胞》杂志上的研究表明，这种古老的杂交触发了一个创新性状，加上重组的遗传变异，共同推动了物种多样化，并使马铃薯得以在安第斯山脉多样化的环境中传播。这个关键的创新性状就是地下块茎的形成。块茎是膨大的地下结构，存在于马铃薯和山药等植物中，用于储存水分和碳水化合物等营养物质。

如今，不起眼的马铃薯是世界第三大重要主粮作物，为数十亿人提供关键的热量摄入。然而，科学家们长期以来一直对马铃薯的起源感到困惑。马铃薯植株与三种被称为无块茎薯（etuberosum）的智利类马铃薯物种几乎一模一样，但只有马铃薯结有块茎。

同样，遗传分析表明，马铃薯植株与番茄的亲缘关系更近，而番茄也不结块茎。那么，关键问题在于：一个在形态和遗传上都与无块茎植物如此相似的物种，最终是如何拥有了块茎？

为了解开这个植物学上的矛盾，研究团队分析了来自南美洲各地采集的超过450个栽培马铃薯品种和56个野生马铃薯物种的全面基因组数据集。他们发现，每一个马铃薯物种都表现出稳定的、来自双亲谱系DNA的平衡混合，这证明了其杂交起源。通过利用种群统计模型，研究人员发现番茄和无块茎薯大约在1400万年前拥有一个共同祖先，而杂交事件发生在大约900万年前。

深入研究基因组后，研究人员锁定了对块茎创新至关重要的两个基因。来自番茄谱系的SP6A基因是块茎形成的关键调控因子。同时，控制地下茎生长的必需基因IT1则来自无块茎薯谱系。

功能分析表明，这两个基因片段的组合在块茎形成中发挥了至关重要的作用，失去其中任何一个都会导致后代无法进行（通过块茎的）无性繁殖。

此外，这一进化上的创新性状恰逢安第斯山脉的快速隆起。安第斯山脉的隆起导致了更寒冷的环境条件，可能造成了更严酷的环境，使得授粉和种子生产变得更加困难。

幸运的是，最初的杂交种产生了块茎这种新器官。有了地下安全的营养储备，这种“创新的块茎器官”很可能帮助其在严酷气候中早期存活下来，包括那些生育力低下的后代。

“块茎可以储存养分以适应寒冷，并能进行无性繁殖以规避生育力下降的风险。这些都使得最初的杂交种得以存活并迅速扩张，”共同第一作者丁怡原（音译）在电子邮件中解释道。

无需种子或授粉就能进行无性繁殖的能力（即通过块茎进行营养繁殖），使得这些植物能够稳定有益的杂交基因组合，并在多样化的环境中立足。这种高效的繁殖能力也触发了后续马铃薯物种的快速多样化，如今包含107个物种，分布在广泛的环境中。

该研究尚未完成，研究人员承认需要进一步的证据来阐明马铃薯祖先是如何重新获得正常有性繁殖能力的（即通过种子，涉及授粉和配子融合）。

“由于杂交事件发生在八、九百万年前，现存的马铃薯属（petota）、番茄和无块茎薯谱系已与其祖先状态大相径庭，解决这些问题仍然具有挑战性，”丁怡原表示。“我们的主要关注点在于马铃薯育种的转化应用，特别是解决有害突变问题 —— 这是传统马铃薯育种的一个主要遗传限制。通过利用番茄作为新的基础种质（chassis），我们可以规避这一限制。”

该研究已发表在《细胞》杂志上。

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