中國農科院供圖
一個物種的種質資源群體內，變異缺乏，同質化嚴重，是目前主要農作物都面臨的遺傳基礎狹窄的問題。遺傳基礎狹窄是農作物改良難以取得突破性進展的全球問題。
近期，來自中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）、深圳農業(yè)基因組所、西北農林科技大學、北京市農林科學院蔬菜研究所等4家合作單位的研究團隊，針對葫蘆科瓜類作物遺傳基礎狹窄、難以獲得緊湊株型的問題，提出了一種定向進化策略——通過篩選近緣種中具有育種價值的顯性矮生稀有變異，針對性地在其他多種瓜類作物中人工產生新的變異，創(chuàng)造出原本自然界不存在的緊湊株型連續(xù)體，將可大大提高葫蘆科瓜類作物的生產效率，顯著節(jié)省勞動力的投入。相關研究成果于2022年12月13日發(fā)表于《自然—植物》（Nature Plants）。
論文審稿人認為，這項研究成果是新穎和重要的，對育種家篩選自然種群或人工創(chuàng)造作物株型變異有價值。
葫蘆科作物緊湊株型什么樣？
黃瓜、甜瓜和西瓜等葫蘆科瓜類作物是世界上重要的經濟蔬菜/水果作物。然而，“絕大部分葫蘆科瓜類作物品種節(jié)間較長、植株較高，這種不緊湊的株型是其未被馴化的特征。這使得栽培群體的種植密度較低，進而導致單位面積產量較低?！闭撐牡谝蛔髡?、蔬菜所與西北農林科技大學聯(lián)合培養(yǎng)博士后王深浩（現(xiàn)為副教授）告訴《中國科學報》，葫蘆科作物的主莖較長，因此需要耗費大量的人工進行吊蔓或壓蔓整枝的操作，費時費力，造成了生產效率低下，不利于輕簡化栽培。
具有顯性遺傳的特征，并且不影響座果和產量的緊湊株型已成為葫蘆科作物急需改良的一個重要方向。
論文通訊作者、蔬菜所研究員楊學勇認為，葫蘆科作物的緊湊株型應該與栽培生產緊密結合，不同的葫蘆科作物由于生長習性不同，根據(jù)不同的栽培模式（露地或溫室）和收獲方式（連續(xù)采摘嫩瓜或一次性收獲成熟瓜），需要的理想緊湊株型也不相同。
第一種，對于在露地種植的葫蘆科作物，如西瓜、甜瓜和南瓜等，收貨的是成熟果實。極度矮化的株型非常適合密集種植和高產，雖然矮化植株的單株產量可能較低，但這種單株產量減少可以通過更高的密度種植來補償，即實現(xiàn)更高的單位面積產量。同時由于無需壓蔓整枝，降低了勞動力的投入，從而提高農業(yè)生產率。
第二種，對于溫室或大棚中種植的葫蘆科作物，如黃瓜、苦瓜、絲瓜等，需要連續(xù)收獲新鮮果實，適度縮短主莖長度的株型，可以在不影響產量的基礎上，減少整枝打杈和放蔓落蔓的操作，從而大大節(jié)省勞動力成本。
“遺傳變異是選擇育種的基礎。”論文通訊作者、蔬菜所研究員楊學勇接受《中國科學報》采訪時說，葫蘆科作物的遺傳基礎都比較狹窄，導致葫蘆科作物的遺傳變異不夠豐富。在很多葫蘆科瓜類作物中，育種家很難找到不影響產量和育性的緊湊株型的材料。
同時，葫蘆科作物不同物種之間都具有明顯的生殖隔離，遠緣雜交非常困難。這就導致了即使在某些物種里發(fā)現(xiàn)了潛在可利用的表型和變異，也很難通過雜交手段運用到別的瓜類作物上?！耙虼藗鹘y(tǒng)雜交的方法難以解決葫蘆科作的遺傳基礎狹窄問題，也限制了葫蘆科作物的遺傳改良?！睏顚W勇說。
在南瓜基因里深挖，為黃瓜改良所用
由于遺傳基礎狹窄，目前黃瓜和西甜瓜中尚沒有發(fā)現(xiàn)具有重要育種價值的緊湊株型的材料。王深浩解釋說，這種育種材料應當滿足兩個條件：有緊湊株型——節(jié)間短，不影響座瓜、產量和育性等重要農藝性狀；緊湊株型的目標性狀由顯性單基因控制，意味著育種家只需要改良一個親本就能夠用于商品種雜合F1代的生產?！皾M足以上條件的育種材料在葫蘆科作物中具有重要價值和育種操作的便利性?！?/p>
“具有豐富遺傳變異的種質資源是育種持續(xù)突破的根本保障?！蓖跎詈普f。為了解決這一育種難題，研究團隊通過三輪篩選，在2000多份南瓜種質中尋找到唯一一份由顯性單基因控制的中國南瓜矮化種質。
圖位克隆和遺傳驗證揭示，南瓜矮化基因CmoYABBY1上的一段缺失序列，能夠增強該基因的蛋白翻譯水平，使得南瓜主莖極度縮短。
然而南瓜上的發(fā)現(xiàn)可否“復制”到葫蘆科其他作物上？
進一步分析發(fā)現(xiàn)，該基因種這段缺失序列中存在一個在葫蘆科作物中保守的元件B-region，也就是說葫蘆科作物的基因組中都有這個元件B-region。
研究團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯工具對黃瓜和西瓜中的B-region進行靶向刪除，創(chuàng)造出B-region各種不同的缺失形式，不同程度的增強了同源基因YABBY1的翻譯量，進而不同程度的縮短了黃瓜和西瓜的主莖長度，實現(xiàn)了莖長的精細調節(jié)。
王深浩說：“盡管通過圖位克隆獲得的南瓜矮化基因是質量性狀基因，但是該研究中，人工產生的這些精細控制的不同莖長可以類比為數(shù)量性狀，因此可以認為通過基因編輯新產生的等位基因是人工數(shù)量性狀基因座?！?/p>
看似迂回的育種策略
研究團隊根據(jù)不同瓜類作物的不同栽培模式，將基因編輯獲得的新等位基因植株進行精確配置，發(fā)現(xiàn)基因編輯的矮化植株可以顯著的提高單位面積產量或顯著降低勞動力成本。
王深浩介紹，田間試驗發(fā)現(xiàn)，在露地鋪地栽培條件下，南瓜的一個等位基因的編輯株系相對于對照株系能夠提高單位面積產量約45%；在溫室吊蔓栽培條件下，黃瓜的一個等位基因編輯株系相對于對照株系，可以降低勞動力約54%。
基因編輯產生的緊湊株型的黃瓜材料在田間種植的效果。中國農科院供圖
“該研究中用到的方法代表了一種采用定向人工進化策略來創(chuàng)造全新農藝性狀的趨勢。”楊學勇說。
雖然在某些重要的農作物中沒有出現(xiàn)人們想要的農藝性狀，“但是我們認為，在進化當中有用的信息都隱藏在了基因組里，只是我們目前理解和挖掘的太少，對其的運用還剛剛開展?！?/p>
楊學勇強調，定向人工進化策略是一種看似迂回的策略：從近緣物種中去篩選和挖掘“暴露” 出的目標性狀，通過遺傳學和分子生物學鑒定到近緣種里決定目標性狀的變異，然后利用目標基因功能的保守性，通過基因組編輯工具，在其他農作物里定向編輯對應的基因組序列，人工產生新的變異，將這些物種中隱藏的性狀開發(fā)出來，快速定向地創(chuàng)造出該農作物里原本自然界不存在的農藝性狀。
不過，這種看似迂回的策略被該研究證明確實有效。他們發(fā)現(xiàn)了葫蘆科作物的YABBY1基因上B-region的定向設計，是優(yōu)化葫蘆科瓜類作物主莖長度的有效策略，可以大幅度的提高葫蘆科作物的生產效率，對于加快葫蘆科作物緊湊株型改良和輕簡化栽培具有重要的生產意義。該研究提出的策略也將為其他性狀或物種的遺傳改良提供重要的參考價值。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01297-6
