“葡萄的歷史，經(jīng)歷了從雜交到自交到克隆繁殖的變化過程，仿佛是一場充滿智慧的自然實(shí)驗(yàn)。”在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員周永鋒看來，葡萄的繁殖與馴化歷史蘊(yùn)含了葡萄精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的奧秘。
黑皮諾葡萄。周永鋒供圖
近日，周永鋒團(tuán)隊(duì)先后在美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）《自然—通訊》（Nature Communications）上發(fā)表研究成果。該團(tuán)隊(duì)不僅揭示了葡萄等克隆繁殖作物中半合子基因在遺傳、表達(dá)和表觀遺傳調(diào)控方面的特征，更發(fā)現(xiàn)了不同繁殖方式對(duì)葡萄基因組產(chǎn)生的深刻影響，為“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種”方案開辟了新路徑。
葡萄繁殖史：充滿智慧的自然實(shí)驗(yàn)
在植物界中，作物的繁殖方式多種多樣，常見的有雜交、克隆和自交等，每種植物都基本會(huì)選擇1~2種方式繁殖后代。野生的葡萄是雌雄異株的，這保證了它們只能異花授粉，通過雜交的方式繁殖后代。雜交保證了葡萄群體的遺傳多樣性，即葡萄個(gè)體各有特點(diǎn)，絕非千篇一律。
“有趣的是，經(jīng)過人類馴化后的栽培葡萄，幾乎全是雌雄同株了，它們都能夠自花授粉結(jié)實(shí)，也就是自交。”周永鋒告訴《中國科學(xué)報(bào)》，從雜交轉(zhuǎn)為自交，葡萄經(jīng)歷了上萬年的馴化歷史。
而在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，葡萄基本都會(huì)通過扦插的方式進(jìn)行繁殖，也就是所謂的“克隆繁殖”。通過克隆，一方面可以保證葡萄性狀的一致性，精準(zhǔn)保留葡萄的優(yōu)良性狀，另一方面則可以實(shí)現(xiàn)快速繁殖。
“之前有研究發(fā)現(xiàn)，來自中世紀(jì)的一顆葡萄種子的DNA幾乎和一個(gè)現(xiàn)代品種一模一樣，也就是說這個(gè)品種的葡萄通過克隆繁殖了幾百年?！敝苡冷h說，如今為了培育新品種，育種家又會(huì)嘗試將各種不同品種的葡萄進(jìn)行雜交，從而挑選出有優(yōu)良性狀的后代。
周永鋒團(tuán)隊(duì)長期關(guān)注葡萄等克隆繁殖作物的遺傳馴化，在葡萄的群體遺傳學(xué)和全基因組設(shè)計(jì)育種領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，葡萄等克隆繁殖作物的基因組雜合度在克隆繁殖過程中被逐步放大，導(dǎo)致其基因組中積累了大量的雜合有害點(diǎn)突變與結(jié)構(gòu)變異。這些變異導(dǎo)致栽培葡萄有很強(qiáng)的自交/雜交衰退現(xiàn)象，很難通過傳統(tǒng)雜交技術(shù)選育新品種。
要想提高葡萄育種效率，就要搞清楚長期克隆繁殖對(duì)栽培葡萄究竟產(chǎn)生了何種影響，不同繁殖方式的組合又是如何應(yīng)用到葡萄育種上的，這也成為這項(xiàng)研究的起點(diǎn)。
為葡萄育種提供“針對(duì)性方案”
黑皮諾是一種起源于法國的重要葡萄品種，其釀造的葡萄酒有著豐富的果香，口感絲滑細(xì)膩，有獨(dú)特的風(fēng)味層次。黑皮諾因此成為很多主要葡萄酒產(chǎn)區(qū)的主栽品種。如今很多受歡迎的品種，如霞多麗、佳美等，都是黑皮諾和其他品種的雜交后代。
“在自交繁殖的過程中，許多基因可能會(huì)丟失?！闭撐牡谝蛔髡?、基因組所副研究員肖華表示，為研究繁殖系統(tǒng)對(duì)基因組的影響，研究人員對(duì)雜合黑皮諾的兩個(gè)單倍型基因組PN1、PN2和其后代自交品種PN40024的基因組進(jìn)行了比較基因組學(xué)分析。
結(jié)果顯示，黑皮諾基因組雜合度為1.43%，顯著高于自交品種PN40024基因組的0.18%。三個(gè)基因組在序列水平（包括基因含量）上差異很大，如PN1、PN2及兩者組合分別有2869、2864和3026個(gè)特有基因家族，而自交品種PN40024基因組相對(duì)特有的基因家族數(shù)量較少（581）。
“PN40024已然經(jīng)歷了9代自交，很多基因家族在這個(gè)過程中不斷丟失，就如同玉米基因組的大小在自交繁殖中快速減小類似。這兩種情況是極其類似的?！毙とA如是說。
更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)分析了黑皮諾克隆個(gè)體間的遺傳變異，會(huì)持續(xù)積累體細(xì)胞變異。
“植物的繁殖方式不同，會(huì)影響基因重新組合的效率，還和清除或保留那些不好的基因負(fù)擔(dān)有關(guān)?！闭撐墓餐谝蛔髡邉⑽奈母嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，繁殖方式的差異帶來肉眼可見的區(qū)別。對(duì)于那些普遍存在的變異，克隆繁殖的葡萄比雜交繁殖的葡萄基因負(fù)擔(dān)要高很多；自交繁殖的葡萄，隱性基因負(fù)擔(dān)最高，雜合基因負(fù)擔(dān)最低。而有個(gè)體差異的變異而言，雜交葡萄的基因負(fù)擔(dān)更高。
在劉文文看來，“只有了解其背后的機(jī)制，我們才能發(fā)揮其優(yōu)勢、克服其劣勢。”
聚合優(yōu)點(diǎn)的“超級(jí)葡萄”
值得一提的是，PN40024作為自交九代的個(gè)體，從理論上講理當(dāng)完全純和，但研究者依舊觀察到了很多變異位點(diǎn)處于雜合狀態(tài)，并且這些雜合變異聚集在一起。
“這個(gè)現(xiàn)象非常有意思。”周永鋒說，栽培葡萄都是自花授粉結(jié)出種子，但大多有很強(qiáng)的自交衰退現(xiàn)象，意即種子種出來的苗一般都長得非常差。自交一代尚且如此，自交多代的苗則更難得到。因此，這歷經(jīng)多代自交仍有留存的、保持4.3%雜合狀態(tài)的基因組區(qū)域，或許就是引起葡萄自交的衰退原因之一。
“如果葡萄始終維持這種雜合態(tài)，它很可能影響我們獲取不同優(yōu)良性狀組合的個(gè)體，從而影響育種?！毙とA表示，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，這些雜合區(qū)域的存在與染色體上互斥相的大效應(yīng)有害變異有關(guān)，這種有害變異分別位于一對(duì)染色體的兩條染色體上。找到并移除這些變異或許可以解決這些問題。
當(dāng)這些“無法被自交清除”的雜合區(qū)域被精準(zhǔn)定位，有望成為解決葡萄自交/雜交衰退的終極密碼。
此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在自交繁殖作物中，半合子基因的比例極低，僅為0.01%-1.2%；在異交繁殖作物中則平均為8.7%；而在克隆繁殖作物中，半合子基因的比例顯著升高至13.8%，這主要?dú)w因于雜合結(jié)構(gòu)變異在克隆繁殖過程逐步累積。
通常情況下，一對(duì)染色體上有兩個(gè)等位基因。而所謂“半合子基因”，則指向基因突變導(dǎo)致的一個(gè)等位基因缺失，使得個(gè)體在該基因位點(diǎn)上只留一個(gè)功能性等位基因的情況。
“研究發(fā)現(xiàn)，半合子基因的表達(dá)水平只有正?；虻?0%”。論文第一作者彭艷玲表示，剩下的那部分基因并沒有更努力地補(bǔ)償缺失基因的功效。盡管如此，但半合子基因在果實(shí)發(fā)育、器官分化和環(huán)境脅迫響應(yīng)等特定生物學(xué)過程中表現(xiàn)出更高的特異性表達(dá)，說明其可能在植物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、調(diào)控重要農(nóng)藝性狀上發(fā)揮重要作用。
周永鋒團(tuán)隊(duì)通過反復(fù)比較不同繁殖體系之間的差異，嘗試從各個(gè)角度解析彼此之間的異同，不僅為后續(xù)葡萄育種工作提供了極具價(jià)值的新思路與理論依據(jù)，更為聚合葡萄各種優(yōu)點(diǎn)的“超級(jí)葡萄”的出現(xiàn)，打造了一條“黃金路線”。
相關(guān)論文信息：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2422487122
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56817-7
