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調(diào)控糖酸風(fēng)味的遺傳密碼創(chuàng)造人們更喜歡的糖酸比

2021-06-22 15:31:28 來源：中國科學(xué)報(bào)

水蜜桃，不僅具有優(yōu)質(zhì)的風(fēng)味，而且對世界現(xiàn)代桃品種遺傳改良做出了重要貢獻(xiàn)。然而，目前尚缺乏水蜜桃參考基因組，阻礙了對其進(jìn)行遺傳研究和優(yōu)異基因資源的挖掘和利用。“工欲善其事，必先利其器”，一個有代表性的高質(zhì)量參考基因組，無疑可為桃風(fēng)味改良提供強(qiáng)有力的工具。

近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)公布了中國水蜜桃高質(zhì)量參考基因組，闡釋了以水蜜桃為代表的優(yōu)良品種對于全球桃育成品種的遺傳貢獻(xiàn)；進(jìn)一步揭示了桃風(fēng)味改良過程中，東、西方對甜度的趨同選擇和酸度的分化選擇模式，揭示了控制主要有機(jī)酸和可溶性糖的遺傳位點(diǎn)，解析了重要基因在果實(shí)蘋果酸和果糖積累中的功能。

這項(xiàng)研究提供了高質(zhì)量參考基因組和豐富的遺傳資源，為進(jìn)一步深入解析桃果實(shí)風(fēng)味形成的遺傳機(jī)制，促進(jìn)重要品質(zhì)性狀的遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然—通訊》。

中國桃的兩次“走出去”

桃屬薔薇科李屬桃亞屬落葉喬木果樹，其全球種植面積及產(chǎn)值居核果類之首。中國是全球最大的產(chǎn)桃國，約占世界總產(chǎn)量的62%。

“桃的故鄉(xiāng)在中國。現(xiàn)代桃95%以上品種都直接或間接與我國水蜜桃相關(guān)。”文章通訊作者、北京市農(nóng)林科學(xué)院北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心（以下簡稱生物中心）研究員謝華在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。歷史上我國有兩次栽培桃“走出去”的關(guān)鍵時(shí)期，對世界桃優(yōu)良品種的形成起到了重要作用。

第一次“從無到有”，通過古絲綢之路，從我國西部地區(qū)傳播到古波斯地區(qū)，后經(jīng)亞歐大陸傳到歐洲，于公元16世紀(jì)由歐洲傳播至美洲大陸。第二次“從有助優(yōu)”，從19世紀(jì)中葉開始，我國東部地區(qū)以中國水蜜桃為代表的優(yōu)良品種通過海上絲綢之路傳播到日本及美洲地區(qū)，并且更大范圍地?cái)U(kuò)散至全球，拉開了桃現(xiàn)代品種選育和改良的序幕。

為揭示其果實(shí)重要農(nóng)藝遺傳基礎(chǔ)，該研究團(tuán)隊(duì)選取了中國水蜜桃代表材料之一的龍華水蜜，采用三代單分子測序，搭配Hi-C掛載的策略對龍華水蜜基因組進(jìn)行組裝，獲得了高質(zhì)量的參考基因組（基因組大小為257.2 Mb，Contig N50為5.17 Mb）。

相對于目前已有的桃參考基因組，該參考基因組具有更高的完整度和連續(xù)性，突破了已有的參考基因組在遺傳分析上的限制。“這個高質(zhì)量的參考基因組將會對未來桃品質(zhì)的研究產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。”謝華告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

調(diào)控糖酸風(fēng)味的遺傳密碼

桃從我國傳入世界各地以后，經(jīng)過漫長的遺傳改良，在遺傳基礎(chǔ)的選擇上發(fā)生了改變，東、西方的桃品種在綜合風(fēng)味品質(zhì)上出現(xiàn)了分化。西方品種的口味主要偏向于酸甜風(fēng)味類型，追求一定糖酸比下的酸甜可口的風(fēng)味；而東方口味更偏向低酸高甜類型。

科研團(tuán)隊(duì)利用564份桃基因組數(shù)據(jù)，通過群體結(jié)構(gòu)結(jié)合糖、酸相關(guān)表型的分析發(fā)現(xiàn)，與酸風(fēng)味的東、西方分化選擇不同，東、西方在追求甜度方面倒是默契的一致。

果實(shí)甜度是桃風(fēng)味的重要決定因素。“果實(shí)中主要糖類有蔗糖、果糖、葡萄糖和山梨醇，我們基于全基因組分析，發(fā)現(xiàn)了多個控制果實(shí)主要糖類含量的QTLs位點(diǎn)及其遺傳效應(yīng)，為桃風(fēng)味遺傳改良提供了分子位點(diǎn)。”文章第一作者、生物中心助理研究員于洋在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

“在此之前，我們一直認(rèn)為桃甜度遺傳改良中的‘主角’可能是蔗糖，但是通過遺傳分析發(fā)現(xiàn)，在東、西方桃甜度改良過程中果糖含量的提升發(fā)揮了更為重要的作用。”謝華指出。

“在尋找控制果糖含量基因位點(diǎn)時(shí)，我們使用了多種方法，建立了多個模型，最終我們確定位于1號染色體上控制果糖含量的主效位點(diǎn)，并從中篩選到一個候選基因PpERDL16，該基因的表達(dá)量與果糖含量呈顯著聯(lián)系。”文章第一作者、生物中心博士后官健濤告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

此外，結(jié)合桃材料多年表型數(shù)據(jù)，科研人員發(fā)現(xiàn)在桃改良過程中，東、西方群體的選擇區(qū)間富集了與蘋果酸、檸檬酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因，為揭示二者有機(jī)酸表型分化提供了候選基因，并證實(shí)了PpALMT1這個關(guān)鍵基因可促進(jìn)蘋果酸在果實(shí)中的積累。

“找到了這些遺傳密碼，對于今后破解其機(jī)理以及用這些基因更有靶向地調(diào)控桃的風(fēng)味，或者創(chuàng)造出人們更喜歡的糖酸比，具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。”文章通訊作者、生物中心研究員魏建華在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

新階段迎來更大挑戰(zhàn)

桃是北京市第一大鮮果，作為全國最早開展桃育種工作的科研機(jī)構(gòu)之一，北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹科學(xué)研究院研究員、文章通訊作者姜全團(tuán)隊(duì)已推廣了一批深得市場認(rèn)可的好品種，如綠化九號、北京24號、瑞光、瑞蟠系列品種等。

目前，現(xiàn)代育種從常規(guī)育種進(jìn)入到了與分子育種有機(jī)整合的階段。

“我們現(xiàn)在吃的大部分桃品種都出自傳統(tǒng)育種。但是，傳統(tǒng)育種已進(jìn)入一個瓶頸期，現(xiàn)在需要把基礎(chǔ)研究成果加進(jìn)來，以此促進(jìn)傳統(tǒng)育種進(jìn)一步創(chuàng)新性變革，提升桃風(fēng)味品質(zhì)育種水平。”魏建華指出。

值得一提的是，此前北京市農(nóng)林科學(xué)院在“桃果實(shí)可食用演化機(jī)制”和“蟠桃果形遺傳調(diào)控機(jī)制”等基礎(chǔ)研究方面取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果已分別發(fā)表在《自然—通訊》和《基因組生物學(xué)》上。

基于這些基礎(chǔ)研究成果，科研團(tuán)隊(duì)逐步開始付諸于分子設(shè)計(jì)育種改進(jìn)的實(shí)踐中。“我們現(xiàn)在一直在開發(fā)高通量分子設(shè)計(jì)育種平臺，希望能夠快速創(chuàng)造出更優(yōu)異的桃種質(zhì)。接下來，我們會在前期研究成果的基礎(chǔ)上，開展人工預(yù)測和調(diào)控糖酸品質(zhì)工作。”謝華說。

標(biāo)簽：糖酸風(fēng)味遺傳密碼糖酸比桃風(fēng)味改良