中国科学家破译苹果遗传密码！“设计苹果”有了“法宝”

苹果因其脆甜多汁、香味浓郁(nóngyù)、营养丰富，是全球最受人们喜爱且种植(zhòngzhí)最广的水果之一。近日，一项围绕苹果的最新研究在线发表在《自然(zìrán)-遗传》期刊上：中国农业大学园艺学院韩振海团队联合国内外科学家成功揭示了苹果属数千万年的演化轨迹，绘制出首张苹果属遗传多样性全景图。该(gāi)期刊配发《研究简述》重点推介，凸显了该研究在苹果属遗传与(yǔ)进化研究中的里程碑(lǐchéngbēi)意义。 那么，小小苹果的(de)演化轨迹究竟有何特别？揭秘其遗传与(yǔ)进化，将为我国乃至世界苹果的科学育种与产业发展带来什么助益？我们请(qǐng)中国农业大学园艺学院教授、博士生导师韩振海、李威来说说。 苹果生命周期苹果育种(yùzhǒng)有“三难” 很多人可能不知道，如今的苹果其实是“进化(jìnhuà)+人为选择”的产物。换句话说，苹果是一个拥有复杂身世的“家族(jiāzú)”。 现代栽培的苹果(píngguǒ)，最早起源于中亚和(hé)我国新疆天山一带的野生苹果。在数千年的传播过程中，苹果一路走向世界，与各种“亲戚”不断“通婚(tōnghūn)”和“融合”，演变出了现在所看到的诸多品种。这种“混血”进化，让(ràng)苹果不仅种类多、口味丰富，还(hái)适应了各种各样(gèzhǒnggèyàng)的环境。正因为身世太复杂，苹果在育种和研究上遇到了一些“老大难”的问题。 很多育种工作都(dōu)集中在“元帅”“金冠”“红富士”“嘎啦”等少数优质品种(pǐnzhǒng)上，久而(ér)久之，栽培苹果的抗病能力下降、种质变单一(dānyī)。而一些拥有强抗病、耐寒能力的野生苹果品种，却因为研究不够，没能被充分利用。 苹果树是一种多年生果树，遗传关系复杂，一个性状可能牵涉好多个基因。比如，矮化性状就与激素合成、信号转导(xìnhàozhuǎndǎo)、营养(yíngyǎng)运输等多个调控通路相关。传统育种就像“蒙着眼睛走(zǒu)迷宫”，又(yòu)慢又费劲，从开始培育一个新品种到真正种进果园，少说也得20多年。 三是(sānshì)先进技术难以施展拳脚 现代生物技术(jìshù)能做很多事情，如基因定位、精准改良等，但这些优势一旦遇上苹果(píngguǒ)研究，就很难真正(zhēnzhèng)发挥(fāhuī)出来，根本原因在于“基因组坐标”不够精确。虽然早在15年前苹果参考基因组就已公布，但那只是单一品种的线性基因组，只提供了一条固定的参考路径，无法反映苹果属丰富多样的遗传变异。科学家很难找到苹果关键基因的位置，自然就无法轻松(qīngsōng)组合出理想(lǐxiǎng)的苹果性状。 因此，要想让苹果变得更好吃、更抗病、更高产，就必须从根本上了解它的遗传秘密。这不仅是科技创新(chuàngxīn)的方向，更是保障果农收入、应对气候变化、推动(tuīdòng)中国果业升级的关键所在。可以说，未来谁能(néng)掌握苹果的“基因钥匙(yàoshi)”，谁就能领跑全球苹果种业的新一轮竞争。 研究遗传基因让苹果(píngguǒ)更“抗打” 近年来，全球农业面临着(zhe)前所未有的双重压力。一方面，天气越来越反常，忽冷忽热、干旱、冻害接连上演；另一方面，病虫害(bìngchónghài)像“升级版病毒(bìngdú)”一样，不仅范围扩大、破坏力增强，还越来越难防御。 面对这些情况，怎么才能让苹果树更“抗打”呢？科学家认为，必须回到“源代码”——研究它(tā)的遗传基础和家族多样性背景。比如，苹果有哪些“零件”？怎么控制开花(kāihuā)、结果、抗病(kàngbìng)、变甜？哪些基因(jīyīn)能抗病、哪些基因能让果实更香？诸如此类信息，都藏在苹果的DNA里。对育种专家而言，理解这些基因背后的故事，才能精准“选材造果”，打造出(dǎzàochū)更适应(shìyìng)未来气候的新品种。 为了让苹果树既长得(zhǎngdé)结实又好(hǎo)打理，科学家非常看重两大特性：一是抗逆性强，无论(wúlùn)遇到高温、低温、干旱、盐碱还是虫害、病害，苹果树都能“扛得住、结得好”；二是适合矮化密植(mìzhí)，树不能长得太高、太散，适合用机器采摘、修剪，以便大幅提高果园生产效率。 韩振海教授团队给出了一个方向：从苹果的进化历史中找资源。要想(xiǎng)为苹果打造一套真正抗打又好(hǎo)种的“基因工具箱”，就得回头去找它的“祖宗”和“亲戚(qīnqī)”，看看谁天生带有(dàiyǒu)抗病、抗寒、耐旱的好基因。 研究团队展开了一场“全球寻宝”：收集了全球30个具有(jùyǒu)代表性的(de)苹果(píngguǒ)属植物，从中国东北的山定子(dìngzi)(Malus baccata)、栽培种的野生(yěshēng)祖先Malus sieversii，到(dào)欧洲的Malus sylvestris、北美的 Malus ioensis……这些野生苹果“亲戚”分布在不同环境中，可能就藏着应对(yìngduì)各种挑战的“基因法宝(fǎbǎo)”。只有把这些野生苹果种尽量多地收进来，才能搭建出一个系统的“抗逆资源库”，未来的育种工作才能有的放矢。 构建首张苹果属遗传基因全景图(quánjǐngtú) 在农业科技尤其是果树育种领域，想真正(zhēnzhèng)实现科技自主，必须先搞清楚3个最基本的问题：作物是怎么来的？它和“亲戚”之间什么关系(guānxì)？还能对它进行什么样的改造和优化？回答这些问题，不能只盯着果子的大小(dàxiǎo)、颜色、口感等表面现象，而是要深入苹果家族史(jiāzúshǐ)的最深层，即前面提到(tídào)的遗传信息。 研究团队通过对大量苹果属植物进行基因组(jīyīnzǔ)测序发现，这个家族最早起源于(qǐyuányú)大约5600万年前的亚洲。随着时间推移，它们在(zài)地质和气候的变化中逐渐分化成今天大家看到的多个“亲戚”物种。 2.各种“亲戚”之间(zhījiān)啥关系 苹果属内部的成员经常“串门”，也就是种间杂交(zájiāo)和基因交流。这种“你中有我、我中有你(wǒzhōngyǒunǐ)”的演化模式，让苹果的遗传背景变得异常复杂。研究团队通过构建“家谱(jiāpǔ)关系图”，厘清了各物种之间(zhījiān)的亲缘关系，也找到了很多“基因混血”的证据。 3.遗传多样性让适应力(shìyìnglì)更强 苹果属植物在外形、风味上的(de)五花八门，是由遗传层面上的多样性控制的。研究发现，这些多样性多数源于基因组中(zhōng)大范围的“结构变异”，比如，一段DNA被删除、复制或倒转了。这些变异就像是苹果进化之路上的“基因突袭事件”，让它具备了更(gèng)强(qiáng)的适应能力和独特性状(xìngzhuàng)。 为了更完整地展示苹果的(de)遗传全貌，研究团队构建了世界首个苹果属(shǔ)“图形泛(fàn)基因组(jīyīnzǔ)”。简而言之，传统基因组就像一条笔直的“铁轨”，只能(néng)看到一个代表品种的遗传蓝图；而“图形泛基因组”就像一张立体的地铁线路图，能同时展示多个品种、物种之间的不同，真正还原苹果属的复杂性和多样性。 这(zhè)张“立体图”就像是苹果属的(de)基因全景图(quánjǐngtú)，里面囊括了几十个野生和栽培品种(pǐnzhǒng)，记录了上万个(shàngwàngè)遗传变异。它不仅能告诉我们一个基因有(yǒu)没有、在哪里，还能展示这个基因在不同物种中是(zhōngshì)怎么变化的。有了这张图，科学家不再是“盲人摸象式”的育种，而是带着地图、有目标地“设计苹果”。该研究成果在未来有很多应用前景。比如，可以打造又矮又抗逆的新型砧木，满足密植果园和机械化管理的需要；培育更耐(gèngnài)储藏、耐运输、抗病虫害的优质苹果品种，提升(tíshēng)果品竞争力；适应极端天气变化，让果园更有“韧性”；为干旱、高寒、高海拔等特殊地区，定向选育适应性强的专属苹果等。 过去，由于(yóuyú)参考基因组依赖国外，野生(yěshēng)苹果种的(de)研究支离破碎，我国很难主导苹果分子育种(yùzhǒng)的技术路线。这种“追着别人跑”的局面，不仅影响新品种的自主创新，也让我们在面对未知病虫害(bìngchónghài)和(hé)气候变化时底气不足。现在，通过这项研究，中国(zhōngguó)科学家掌握了属于自己的系统资源和前沿技术：有了苹果家族的完整“族谱”；找到了控制重要性状的“关键基因”；构建了服务育种的“导航系统”和“工具箱”。这意味着，中国不仅能独立开展苹果的分子育种，还能在全球苹果科研领域提供关键资源和解决方案(jiějuéfāngàn)，从“跟跑”踏上“领跑”之路。 来源(láiyuán)：北京日报客户端