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不同生態型桃果實擁有豐富的遺傳多樣性。中國農科院鄭州果樹研究所供圖
中國人常用“桃李滿天下”比喻老師或長輩培養的眾多精英后輩遍布各地。
近日，《基因組研究》在線發表了中國農業科學院鄭州果樹研究所研究員王力榮團隊領銜完成的研究。該團隊對多個環境因子對桃基因組的影響遺傳分析，給“桃李滿天下”賦予了遺傳學含義，可幫助育種家進行應對氣候變化品種適應性改良。
來自氣候變化的壓力
論文共同通訊作者王力榮長期從事桃樹研究。在河南省鄭州市，她帶領團隊建立的國家園藝種質資源庫桃資源圃，保存有1430份桃種質資源，是全世界保存桃種質最多的資源庫。通過對資源圃中89個桃種質長期監測數據進行分析，王力榮團隊發現，桃的開花時間較30年前提前了10天。
“桃對環境變化十分敏感，花期提前會受到‘倒春寒’的威脅。”王力榮說，氣候變化對農業生產影響巨大。許多研究已經鑒定出使水稻、大豆和其他糧食作物適應當地環境的基因。但很少有研究關注水果作物，例如桃樹，而桃的全球年產量為2450萬噸，是世界主要果樹種類。
現在的桃樹品種能不能適應未來的氣候變化？這讓王力榮產生了研究桃這種適應性強的果樹如何與環境發生相互作用的想法。
她告訴《中國科學報》，桃起源于我國，分布范圍廣泛、適應性強，是研究植物環境適應性的良好材料。此外，“桃基因組較小，是二倍體，倍性低；桃樹自花授粉結實，因而基因組雜合度低；童期短，僅為2~3年，育種所需時間較其他果樹短；桃進化史上沒有發生過全基因組復制事件，基因組簡單，冗余基因相對較少。因此桃被認為是薔薇科果樹研究的模式物種。”王力榮說。
“基因是分子育種的關鍵，明確桃適應不同環境條件、響應氣候變化的基因，促使新培育品種的適應能力始終領先于環境變化的速度，可以減小環境變化給糧食安全帶來的威脅。”王力榮說。
論文共同通訊作者、美國康奈爾大學教授費章君告訴《中國科學報》，研究桃樹和環境互作的遺傳基礎，可以培育在許多不同惡劣環境中生長的桃樹新品種，將其地理范圍擴展到新的地區，為當地帶來更多優質果品。
2700個環境相關位點
由于人們專注于風味、甜度和其他口感品質，許多桃品種中與環境適應相關的基因已經丟失。不過，費章君說，桃子野生近緣種和地方品種很多，并且它們長期以來已適應特定的當地條件，具有巨大的遺傳多樣性，可為改善其“表親”的適應力提供資源。
通過什么方法可以更快地找到這些基因？“我們的種質資源庫中保存了非常完善的基本信息。”王力榮說，每個桃種質都可以追溯到其采集地點，也就是說，科學家能夠借此知道它的適生環境在哪里。
傳統上，桃品種按照地理分布和性狀特征劃分為7個類型。王力榮認為，利用當地氣候條件和當地品種的基因型進行關聯分析，就能找到適應當地環境的相關基因。該團隊研究人員對覆蓋7個地理區域的263種桃種質資源進行了全基因組環境關聯研究。
結果證實，這些種質確實可以劃分為7個與地理分布匹配的類群。論文第一作者李勇告訴《中國科學報》，進一步分析環境、基因組和地理位置三者之間的相關性，發現環境與基因組具有很高的相關性，說明基因組之間的差異是由環境造成的，基因組隨著環境變化而變化。
“也就是說，由于受到環境的自然選擇，桃為了適應環境發生不同的變異，導致7個生態型桃品種的基因組特點不同，形成了適應不同環境條件的基因組模式。”李勇說。
他們還確定了2700多個環境關聯基因位點，這些位點與影響這些地區氣候的51個環境因素密切相關。例如，東北高寒地區的桃樹在組氨酸磷酸轉移蛋白基因AHP5中有一個特有的遺傳變異，該變異賦予了這些品種抵御嚴寒的能力。
再如，來自干旱地區的桃樹中，與抗旱密切相關的脫落酸調控途徑的一系列基因受到自然選擇。進一步實驗表明，在干旱脅迫下，脫落酸誘導了更高水平的蔗糖合成酶，解釋了為什么干旱地區桃果實糖含量高于其他地區。費章君說：“當桃樹在干旱等脅迫條件下生長時，果實會變得更甜。在這項研究中，我們發現了干旱與桃子糖含量之間的直接遺傳聯系。”
而在青藏高原的桃樣本中，研究小組發現了查爾酮合酶基因CHS2的一個變異，導致其對高海拔地區強烈的紫外線輻射具有耐受性。該基因高表達增加了植物新生組織中花色苷的含量，從而保護它們免受紫外線輻射傷害。
他們也提出了桃樹花期提前的潛在遺傳學解釋——晝夜節律基因LNK1的變異。該變異在溫度升高時上調表達，從而導致花開。費章君說：“這一發現最終可能使育種者控制果樹的開花時間，以便在種植者和市場準備就緒時收獲桃子。”
千桃基因組計劃
“我們的研究提供了許多候選基因，揭示桃子如何適應各種環境壓力和刺激。”王力榮說，“育種者可以利用這些信息培育出更具廣泛適應性的桃樹品種，從而更好地應對極端溫度、干旱和氣候變化。”
這項工作是王力榮團隊發起的“千桃基因組”計劃階段性成果之一。王力榮介紹，該計劃以1000余份全球范圍內分布的桃野生近緣種、地方品種和培育品種為材料，對其進行全基因組測序，發掘控制重要農藝性狀、抗性性狀和環境適應性的關鍵基因，解析桃進化馴化機理、重要農藝性狀形成機制和環境適應性遺傳基礎，開發實用分子育種標記，為分子設計育種奠定基礎。
此前，該團隊已經在桃基因組變異特征、人工選擇對桃基因組的修飾、馴化和農藝性狀關聯分析方面取得重要進展。這項最新研究則主要揭示了自然選擇對桃基因組的影響，以及桃適應不同環境的遺傳學基礎。
王力榮表示，下一步，他們將利用豐富的種質資源，開展薔薇科果樹如何適應環境的遺傳學研究，為培育適應氣候變化的果樹新品種奠定理論基礎。（李晨）
來源： 《中國科學報》