長得既像亞洲梨又像西洋梨，口感既有亞洲梨的酥脆多汁，又兼具西洋梨的細膩肉質(zhì)……當你在吃一個庫爾勒香梨時，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)大學教授吳俊團隊領銜的一項研究，不僅證明了我國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大小、成熟軟化差異的關鍵結(jié)構(gòu)變異。8月6日，這項在線發(fā)表于《自然-遺傳》的研究成果，為解析多年生果樹復雜性狀的遺傳變異和分子基礎提供了新范式。

長期致力于生物信息學和植物基因組功能分析研究的美國康奈爾大學教授費章君告訴《中國科學報》，這項成果為梨的功能基因挖掘和分子育種提供了全新的組學平臺。該研究特別揭示了果實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)變異機制，建立了從遺傳變異到表型調(diào)控的理論框架，推動了梨育種從“經(jīng)驗育種”向“分子設計育種”轉(zhuǎn)型，具有重要的理論創(chuàng)新意義和實踐應用價值。

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《中國科學報》，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栽培種，其果實呈葫蘆形，色澤豐富、口感細膩、風味濃郁，但多數(shù)在采收后需要后熟軟化才可食用。

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

“對于梨這樣的多年生果樹，通過傳統(tǒng)雜交育種培育一個優(yōu)良新品種，需要耗費15到20年時間，不僅周期長、效率低，而且要投入大量土地和勞動力，很難在短時間內(nèi)培育出滿足市場和消費者需求的高質(zhì)量梨果?！庇谑?，吳俊團隊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，也就是說同一品種梨樹的雄花無法讓雌花受精并結(jié)出果實。吳俊說，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，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，廣泛的基因交流導致梨基因組高度雜合，不僅增加了基因組組裝復雜度，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，如果以其中一個栽培種為參考基因組，另外一個栽培種的比對率就會降低，從而導致部分遺傳信息缺失，無法研究利用。

“所以我們決定同時選取亞洲梨和西洋梨進行研究，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?！眳强≌f。

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)細膩。這兩個栽培品種作為優(yōu)異親本被廣泛用于梨育種，具有重要的應用價值。

“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)大學園藝學院已畢業(yè)博士生孫滿意說。

受限于早期的基因組組裝技術條件，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程中，由于序列重復、雜合度高等原因，將來自不同父母本的染色體或不同來源的DNA片段拼接在一起，形成一個“混合體”基因組。

論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院已畢業(yè)博士生曹貝貝向記者解釋說，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。這種錯誤會導致基因位置、功能注釋和進化分析出現(xiàn)偏差，也會導致基因錨定錯誤或拼接出“假基因”，無法正確定位那些調(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)勢表達基因，對梨的農(nóng)藝性狀解析具有重要的價值和意義?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⒛暇┺r(nóng)業(yè)大學副研究員李甲明說。

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。例如，梨是二倍體，擁有兩套遺傳物質(zhì)，一套來自父本、一套來自母本，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自父本、哪些信息來自母本。

“擁有單倍型完整基因組，有助于更好理解來自父、母本的基因如何控制物種重要性狀，如果實品質(zhì)、抗病性、抗逆等，是哪個來源的基因表達調(diào)控占優(yōu)勢、是否存在雜種優(yōu)勢等，為后續(xù)育種利用優(yōu)異單倍型提供重要信息。”李甲明說。

采用先進的測序技術，研究人員成功構(gòu)建了“碭山酥梨”與“紅巴梨”兩個染色體級、無缺口的二倍體分型基因組?！斑@就相當于得到了兩本完整無誤的基因‘書’?！崩罴酌髡f，其基因組覆蓋度達99.99%，錨定到染色體水平100%，達到參考基因組的金標準，為梨屬植物基因組學研究提供了關鍵資源。

新西蘭皇家植物與食品研究院、奧克蘭大學教授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、以其中任何一個為參考基因組出現(xiàn)序列比對率低而丟失大量遺傳信息的難題。

實現(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制。

“我們研究發(fā)現(xiàn)，大約在360萬年前，亞洲梨和西洋梨就分化成兩個‘家族’。之后，由于人類對梨的不同選擇偏好，在不同地方分別改良這兩類梨，選擇了不少與果實大小、甜度、酸度、口感等相關的性狀和有利基因，讓梨更符合當?shù)厝讼埠?。這就是所謂的獨立馴化，即野生梨種群先分化，再人工馴化成不同的栽培種?！眳强≌f。

“通俗講就是兩兄弟從小分開生活，一個在東方、一個在西方，由于地理環(huán)境和培養(yǎng)模式不同，他們形成了不同的習慣和愛好。長期分開成長加上培養(yǎng)模式不同，讓亞洲梨和西洋梨具有不同的遺傳組成，在果實品質(zhì)和抗性等特征方面存在顯著差異。”論文共同第一作者、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究員李奎說。

研究人員進一步研究發(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，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、耐儲藏等特點，又兼具西洋梨有香氣、肉質(zhì)細膩的特點。

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

在16號染色體上，他們又鑒定到一個重要的亞洲梨馴化區(qū)間，包含與糖分、酸度和果實大小相關的重要基因。其中的酸度和果實大小基因位于蘋果的馴化區(qū)間，表明梨與蘋果在果實性狀改良中可能發(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結(jié)構(gòu)變異有關；梨果實橫徑與一個缺失片段有關；西洋梨采后軟化性狀由果實成熟關鍵基因啟動子區(qū)的一段插入序列調(diào)控……超3.5萬個結(jié)構(gòu)變異可能與東西方梨的環(huán)境適應性及性狀形成有重要關聯(lián)。

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