破解東西方梨“身世之謎”

長(zhǎng)得既像亞洲梨又像西洋梨，口感既有亞洲梨的酥脆多汁，又兼具西洋梨的細(xì)膩肉質(zhì)……當(dāng)你在吃一個(gè)庫(kù)爾勒香梨時(shí)，你吃的不僅僅是新疆梨，而且還涉及東西方梨文化的交融。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授吳俊團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究，不僅證明了我國(guó)新疆梨是西洋梨和亞洲梨的雜交后代，而且挖掘出控制亞洲梨和西洋梨果實(shí)大小、成熟軟化差異的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變異。8月6日，這項(xiàng)在線發(fā)表于《自然-遺傳》的研究成果，為解析多年生果樹復(fù)雜性狀的遺傳變異和分子基礎(chǔ)提供了新范式。

長(zhǎng)期致力于生物信息學(xué)和植物基因組功能分析研究的美國(guó)康奈爾大學(xué)教授費(fèi)章君告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這項(xiàng)成果為梨的功能基因挖掘和分子育種提供了全新的組學(xué)平臺(tái)。該研究特別揭示了果實(shí)成熟軟化等性狀在亞洲梨與西洋梨之間分化的基因組結(jié)構(gòu)變異機(jī)制，建立了從遺傳變異到表型調(diào)控的理論框架，推動(dòng)了梨育種從“經(jīng)驗(yàn)育種”向“分子設(shè)計(jì)育種”轉(zhuǎn)型，具有重要的理論創(chuàng)新意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

亞洲梨和西洋梨各有千秋

梨是世界性廣泛栽培的重要果樹，其栽培歷史可追溯到3000多年前。根據(jù)地理分布，梨主要分為亞洲梨和西洋梨兩大栽培種群。

論文通訊作者吳俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，亞洲梨主要包含砂梨、白梨、秋子梨及新疆梨四大栽培種。亞洲梨的果實(shí)偏圓形、肉質(zhì)酥脆、味甜汁多，除秋子梨以外，采收后即可食用。而歐美主栽的西洋梨屬于一個(gè)栽培種，其果實(shí)呈葫蘆形，色澤豐富、口感細(xì)膩、風(fēng)味濃郁，但多數(shù)在采收后需要后熟軟化才可食用。

這兩類梨看起來(lái)非常不一樣，實(shí)際上卻是同一個(gè)物種，只是它們各自具有消費(fèi)者喜愛(ài)的獨(dú)特性狀?！叭绾螌喼蘩婧臀餮罄嬷袃?yōu)異獨(dú)特的性狀聚合，并快速導(dǎo)入新品種中？”吳俊說(shuō)，這是梨育種研究的重要課題。

“對(duì)于梨這樣的多年生果樹，通過(guò)傳統(tǒng)雜交育種培育一個(gè)優(yōu)良新品種，需要耗費(fèi)15到20年時(shí)間，不僅周期長(zhǎng)、效率低，而且要投入大量土地和勞動(dòng)力，很難在短時(shí)間內(nèi)培育出滿足市場(chǎng)和消費(fèi)者需求的高質(zhì)量梨果?！庇谑?，吳俊團(tuán)隊(duì)打算以解析梨的遺傳密碼和變異信息為途徑，提高育種效率。

然而，梨屬于典型的自交不親和性物種，也就是說(shuō)同一品種梨樹的雄花無(wú)法讓雌花受精并結(jié)出果實(shí)。吳俊說(shuō)，這種必須依靠別的品種授粉的“操作”，使得梨的品種資源間存在廣泛的基因交流和遺傳重組，也造就了梨的多樣性。

盡管這種多樣性為梨育種提供了豐富的種質(zhì)資源庫(kù)，但要想充分利用它培育出優(yōu)良新品種，卻不是一件容易的事。

吳俊說(shuō)，廣泛的基因交流導(dǎo)致梨基因組高度雜合，不僅增加了基因組組裝復(fù)雜度，也影響了組裝結(jié)果的連續(xù)性。而且，由于亞洲梨和西洋梨遺傳差異很大，如果以其中一個(gè)栽培種為參考基因組，另外一個(gè)栽培種的比對(duì)率就會(huì)降低，從而導(dǎo)致部分遺傳信息缺失，無(wú)法研究利用。

“所以我們決定同時(shí)選取亞洲梨和西洋梨進(jìn)行研究，旨在挖掘出控制這兩種梨表型差異的重要遺傳差異和功能基因，并開發(fā)分子標(biāo)記，為后續(xù)新品種選育和優(yōu)異性狀聚合育種提供重要遺傳信息。”吳俊說(shuō)。

近乎完美的基因“書”

作為白梨的代表性栽培品種，栽培歷史悠久的“碭山酥梨”以汁多味甜、酥脆爽口、耐貯存而聞名，是中國(guó)也是全球栽培面積最大的梨品種。而“紅巴梨”作為西洋梨的主栽梨品種，其果皮色澤鮮紅、果肉多汁、味濃香甜、肉質(zhì)細(xì)膩。這兩個(gè)栽培品種作為優(yōu)異親本被廣泛用于梨育種，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

“這就是我們選取‘碭山酥梨’‘紅巴梨’做完整單倍型基因組構(gòu)建的原因?！闭撐墓餐谝蛔髡?、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院已畢業(yè)博士生孫滿意說(shuō)。

受限于早期的基因組組裝技術(shù)條件，以往發(fā)表的梨基因組通常為嵌合組裝。嵌合基因組指的是基因組在拼接過(guò)程中，由于序列重復(fù)、雜合度高等原因，將來(lái)自不同父母本的染色體或不同來(lái)源的DNA片段拼接在一起，形成一個(gè)“混合體”基因組。

論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院已畢業(yè)博士生曹貝貝向記者解釋說(shuō)，如果把二倍體基因組看作兩本內(nèi)容相近的書，解析基因組的過(guò)程就像把這兩本書打散后重新組裝。因分辨困難，本該屬于不同書的章節(jié)拼在了一起，本該是兩本書中都有的章節(jié)卻只留下一份，導(dǎo)致一些信息丟失。

最后拼接重組得到的書看似完整，卻內(nèi)容缺失、序列有誤。這種錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致基因位置、功能注釋和進(jìn)化分析出現(xiàn)偏差，也會(huì)導(dǎo)致基因錨定錯(cuò)誤或拼接出“假基因”，無(wú)法正確定位那些調(diào)控重要性狀的基因，影響后續(xù)的基因發(fā)掘和功能研究。

因此，“構(gòu)建完整單倍型基因組，并借此挖掘優(yōu)勢(shì)表達(dá)基因，對(duì)梨的農(nóng)藝性狀解析具有重要的價(jià)值和意義?！闭撐墓餐谝蛔髡?、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)副研究員李甲明說(shuō)。

所謂單倍型完整基因組指的是將物種基因組中每一套染色體的等位基因信息完整地拼裝出來(lái)。例如，梨是二倍體，擁有兩套遺傳物質(zhì)，一套來(lái)自父本、一套來(lái)自母本，單倍型完整基因組完整還原了這兩套遺傳信息的所有內(nèi)容，告訴人們哪些遺傳信息來(lái)自父本、哪些信息來(lái)自母本。

“擁有單倍型完整基因組，有助于更好理解來(lái)自父、母本的基因如何控制物種重要性狀，如果實(shí)品質(zhì)、抗病性、抗逆等，是哪個(gè)來(lái)源的基因表達(dá)調(diào)控占優(yōu)勢(shì)、是否存在雜種優(yōu)勢(shì)等，為后續(xù)育種利用優(yōu)異單倍型提供重要信息?！崩罴酌髡f(shuō)。

采用先進(jìn)的測(cè)序技術(shù)，研究人員成功構(gòu)建了“碭山酥梨”與“紅巴梨”兩個(gè)染色體級(jí)、無(wú)缺口的二倍體分型基因組?！斑@就相當(dāng)于得到了兩本完整無(wú)誤的基因‘書’?！崩罴酌髡f(shuō)，其基因組覆蓋度達(dá)99.99%，錨定到染色體水平100%，達(dá)到參考基因組的金標(biāo)準(zhǔn)，為梨屬植物基因組學(xué)研究提供了關(guān)鍵資源。

新西蘭皇家植物與食品研究院、奧克蘭大學(xué)教授Andrew Allan表示，亞洲和西洋梨的高質(zhì)量圖形基因組構(gòu)建，為兩大種群基因組遺傳變異解析提供了路徑，解決了之前因種群間遺傳差異大、以其中任何一個(gè)為參考基因組出現(xiàn)序列比對(duì)率低而丟失大量遺傳信息的難題。

實(shí)現(xiàn)梨品種“定制化”培育

獲得兩套單倍型基因組后，研究人員開始進(jìn)行分析比較，逐漸揭開了亞洲梨和西洋梨馴化歷史，以及諸多重要性狀背后的分子機(jī)制。

“我們研究發(fā)現(xiàn)，大約在360萬(wàn)年前，亞洲梨和西洋梨就分化成兩個(gè)‘家族’。之后，由于人類對(duì)梨的不同選擇偏好，在不同地方分別改良這兩類梨，選擇了不少與果實(shí)大小、甜度、酸度、口感等相關(guān)的性狀和有利基因，讓梨更符合當(dāng)?shù)厝讼埠谩＿@就是所謂的獨(dú)立馴化，即野生梨種群先分化，再人工馴化成不同的栽培種?！眳强≌f(shuō)。

“通俗講就是兩兄弟從小分開生活，一個(gè)在東方、一個(gè)在西方，由于地理環(huán)境和培養(yǎng)模式不同，他們形成了不同的習(xí)慣和愛(ài)好。長(zhǎng)期分開成長(zhǎng)加上培養(yǎng)模式不同，讓亞洲梨和西洋梨具有不同的遺傳組成，在果實(shí)品質(zhì)和抗性等特征方面存在顯著差異?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⒈本┐髮W(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究員李奎說(shuō)。

研究人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，新疆梨是亞洲梨和西洋梨的栽培種間雜交后代，而且在梨種質(zhì)中具有最高的遺傳多樣性。新疆梨的形成與2000多年前絲綢之路的文化物資交流有關(guān)，其果型居于兩者之間，繼承了東西方梨的優(yōu)異性狀，既保留了亞洲梨脆肉多汁、采后即食、耐儲(chǔ)藏等特點(diǎn)，又兼具西洋梨有香氣、肉質(zhì)細(xì)膩的特點(diǎn)。

他們還在“碭山酥梨”基因組中，發(fā)現(xiàn)了與石細(xì)胞形成密切相關(guān)的漆酶基因家族擴(kuò)張，這可能是造成亞洲梨與西洋梨石細(xì)胞含量顯著差異的重要遺傳基礎(chǔ)。

在16號(hào)染色體上，他們又鑒定到一個(gè)重要的亞洲梨馴化區(qū)間，包含與糖分、酸度和果實(shí)大小相關(guān)的重要基因。其中的酸度和果實(shí)大小基因位于蘋果的馴化區(qū)間，表明梨與蘋果在果實(shí)性狀改良中可能發(fā)生了趨同馴化。

研究發(fā)現(xiàn)，梨的自交不親和性與“碭山酥梨”單倍型基因組上一個(gè)結(jié)構(gòu)變異有關(guān)；梨果實(shí)橫徑與一個(gè)缺失片段有關(guān)；西洋梨采后軟化性狀由果實(shí)成熟關(guān)鍵基因啟動(dòng)子區(qū)的一段插入序列調(diào)控……超3.5萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)變異可能與東西方梨的環(huán)境適應(yīng)性及性狀形成有重要關(guān)聯(lián)。

吳俊說(shuō)，他們的研究還提供了開發(fā)分子標(biāo)記的重要序列信息。有了這些信息，育種家可以進(jìn)行精準(zhǔn)篩選和定向改良，高效選育優(yōu)良品種，甚至通過(guò)分子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)梨品種的“定制化”，大幅縮短育種周期，更好地滿足消費(fèi)者不斷提升的產(chǎn)業(yè)需求。（李晨）