中国科学家破译苹果遗传密码！“设计苹果”有了“法宝”

苹果(píngguǒ)因其脆甜多汁、香味浓郁、营养丰富(fēngfù)，是全球最受人们喜爱且种植最广的水果之一。近日，一项围绕苹果的最新(zuìxīn)研究在线发表在《自然-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(chénggōng)揭示了苹果属数千万年的演化轨迹(guǐjì)，绘制出(chū)首张苹果属遗传多样性全景图。该期刊配发《研究简述》重点推介，凸显了该研究在苹果属遗传与进化研究中的里程碑意义。 那么，小小苹果的演化轨迹究竟有何特别(tèbié)？揭秘其(qí)遗传与进化，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？我们请中国农业大学园艺学院教授、博士生导师韩振海、李威来说(láishuō)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+人为选择”的产物。换句话说(huànjùhuàshuō)，苹果是一个(yígè)拥有复杂身世的“家族”。 现代栽培的(de)苹果，最早起源于中亚和我国(wǒguó)新疆天山一带的野生苹果。在(zài)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”和“融合”，演变出了现在所看到的诸多(zhūduō)品种。这种“混血”进化，让苹果不仅种类多、口味丰富，还适应了各种各样的环境。正因为身世太复杂，苹果在育种(yùzhǒng)和研究上遇到(yùdào)了一些“老大难”的问题。 很多育种工作都集中在“元帅”“金冠”“红富士”“嘎啦(gālā)”等少数优质(yōuzhì)品种上，久而久之，栽培苹果的抗病能力(nénglì)下降、种质变单一。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(bèi)充分利用。 苹果树是一种(yīzhǒng)多年生果树，遗传关系复杂，一个性状可能(kěnéng)牵涉好多个基因。比如，矮化性状就与激素合成、信号转导、营养运输等多个调控通路相关。传统育种就像(xiàng)“蒙着眼睛走迷宫”，又慢又费劲(fèijìn)，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 现代生物技术能做很多(hěnduō)事情，如基因(jīyīn)定位(dìngwèi)、精准改良等，但这些优势一旦遇上(yùshàng)苹果研究，就很难真正发挥出来，根本原因在于“基因组(jīyīnzǔ)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(guānjiàn)基因的位置，自然就无法轻松组合出理想的苹果性状。 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(bǎozhàng)果农收入、应对气候变化、推动中国(zhōngguó)果业升级的关键所在。可以说，未来谁能掌握苹果的“基因钥匙”，谁就能领跑全球苹果种业的新一轮竞争(jìngzhēng)。 研究遗传基因让苹果更“抗打(kàngdǎ)” 近年来，全球农业(nóngyè)面临着前所未有的双重压力。一方面，天气(tiānqì)越来越反常，忽冷忽热、干旱、冻害接连(jiēlián)上演；另一方面，病虫害像“升级版病毒”一样，不仅范围扩大、破坏力增强，还越来越难防御。 面对(miànduì)这些(zhèxiē)情况，怎么才能(néng)让(ràng)苹果树更“抗打(kàngdǎ)”呢？科学家认为，必须回到“源代码”——研究它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、结果、抗病、变甜？哪些基因能抗病、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”，打造出更适应未来气候(qìhòu)的新品种。 为了让苹果树既长得结实又好打理，科学家非常看重两大特性：一是抗逆性强(qiáng)，无论遇到高温、低温、干旱、盐碱还是虫害、病害，苹果树都能“扛得住(kángdezhù)、结得好”；二是适合矮化密植，树不能长得太高、太散，适合用机器采摘、修剪，以便(yǐbiàn)大幅提高果园(guǒyuán)生产效率。 韩振海教授团队给出了一个方向：从苹果(píngguǒ)的进化历史中找资源。要想为(wèi)苹果打造一套真正抗打又好种的“基因工具箱”，就得回头去找它的“祖宗(zǔzōng)”和(hé)“亲戚”，看看谁天生带有抗病、抗寒、耐旱的好基因。 研究团队展开了一场“全球寻宝”：收集(shōují)了全球30个具有代表性的苹果属植物(zhíwù)，从中(zhōng)国东北(dōngběi)的山定子(Malus baccata)、栽培种(zhǒng)的野生(yěshēng)祖先Malus sieversii，到欧洲的Malus sylvestris、北美的 Malus ioensis……这些(zhèxiē)野生苹果“亲戚”分布在不同环境中，可能(kěnéng)就藏着应对各种挑战的“基因法宝”。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(yíchuánjīyīn)全景图 在(zài)农业(nóngyè)科技尤其是果树育种领域，想真正实现科技自主，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？还能对它进行什么样的改造和优化(yōuhuà)？回答这些(zhèxiē)问题，不能只盯着果子的大小、颜色、口感等表面现象(biǎomiànxiànxiàng)，而是要深入苹果家族史的最深层，即前面提到的遗传信息。 研究团队通过(tōngguò)对(duì)大量苹果属植物进行基因组测序发现，这个家族最早起源于大约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(chéngyuán)经常“串门”，也就是种间杂交和基因交流。这种“你中有我(nǐzhōngyǒuwǒ)、我中有你”的演化模式，让苹果的遗传背景变得(biàndé)异常复杂。研究团队通过构建“家谱关系图”，厘清了各物种之间的亲缘关系，也找到(zhǎodào)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(píngguǒ)属植物在(zài)外形、风味上的五花八门，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大范围的“结构变异”，比如(bǐrú)，一段DNA被删除(shānchú)、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”，让它具备了更强的适应能力和(hé)独特性状。 为了更完整地展示苹果的遗传全貌，研究团队构建了世界首个苹果属“图形(túxíng)泛基因组”。简而言之，传统基因组就像一条笔直(bǐzhí)的“铁轨”，只能看到一个代表品种(pǐnzhǒng)的遗传蓝图；而“图形泛基因组”就像一张立体(lìtǐ)的地铁线路图，能同时(tóngshí)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。 这张(zhèzhāng)“立体图”就(jiù)像是苹果(píngguǒ)属的基因全景图，里面囊括了(le)几十个野生和栽培品种，记录了上万个遗传变异。它不仅(bùjǐn)能告诉我们(wǒmen)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(dǎzào)又矮(ǎi)又抗逆的新型砧木，满足密植果园和机械化管理的需要；培育更耐储藏、耐运输、抗病虫害的优质苹果品种，提升果品竞争力；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，由于参考基因组依赖国外，野生苹果(píngguǒ)(píngguǒ)种的研究支离破碎，我国很难主导苹果分子育种的技术路线。这种“追着别人跑”的局面，不仅(bùjǐn)影响新品种的自主创新，也让我们在(zài)面对未知病虫害和气候变化时底气不足。现在，通过这项研究，中国科学家掌握了(le)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(kòngzhì)重要(zhòngyào)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，从(cóng)“跟跑”踏上“领跑”之路。 来源：北京日报(běijīngrìbào)客户端