中國(guó)農(nóng)科院供圖
一個(gè)物種的種質(zhì)資源群體內(nèi),變異缺乏,同質(zhì)化嚴(yán)重,是目前主要農(nóng)作物都面臨的遺傳基礎(chǔ)狹窄的問(wèn)題。遺傳基礎(chǔ)狹窄是農(nóng)作物改良難以取得突破性進(jìn)展的全球問(wèn)題。
近期,來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所(以下簡(jiǎn)稱蔬菜所)、深圳農(nóng)業(yè)基因組所、西北農(nóng)林科技大學(xué)、北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所等4家合作單位的研究團(tuán)隊(duì),針對(duì)葫蘆科瓜類作物遺傳基礎(chǔ)狹窄、難以獲得緊湊株型的問(wèn)題,提出了一種定向進(jìn)化策略——通過(guò)篩選近緣種中具有育種價(jià)值的顯性矮生稀有變異,針對(duì)性地在其他多種瓜類作物中人工產(chǎn)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(chǎn)效率,顯著節(jié)省勞動(dòng)力的投入。相關(guān)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(rèn)為,這項(xiàng)研究成果是新穎和重要的,對(duì)育種家篩選自然種群或人工創(chuàng)造作物株型變異有價(jià)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(jīng)濟(jì)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(zhǎng)、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(jìn)而導(dǎo)致單位面積產(chǎn)量較低?!闭撐牡谝蛔髡?、蔬菜所與西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王深浩(現(xiàn)為副教授)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,葫蘆科作物的主莖較長(zhǎng),因此需要耗費(fèi)大量的人工進(jìn)行吊蔓或壓蔓整枝的操作,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,造成了生產(chǎn)效率低下,不利于輕簡(jiǎn)化栽培。
具有顯性遺傳的特征,并且不影響座果和產(chǎn)量的緊湊株型已成為葫蘆科作物急需改良的一個(gè)重要方向。
論文通訊作者、蔬菜所研究員楊學(xué)勇認(rèn)為,葫蘆科作物的緊湊株型應(yīng)該與栽培生產(chǎn)緊密結(jié)合,不同的葫蘆科作物由于生長(zhǎng)習(xí)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(duì)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(shí)。極度矮化的株型非常適合密集種植和高產(chǎn),雖然矮化植株的單株產(chǎn)量可能較低,但這種單株產(chǎn)量減少可以通過(guò)更高的密度種植來(lái)補(bǔ)償,即實(shí)現(xiàn)更高的單位面積產(chǎn)量。同時(shí)由于無(wú)需壓蔓整枝,降低了勞動(dòng)力的投入,從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。
第二種,對(duì)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(shí),適度縮短主莖長(zhǎng)度的株型,可以在不影響產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,減少整枝打杈和放蔓落蔓的操作,從而大大節(jié)省勞動(dòng)力成本。
“遺傳變異是選擇育種的基礎(chǔ)。”論文通訊作者、蔬菜所研究員楊學(xué)勇接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō),葫蘆科作物的遺傳基礎(chǔ)都比較狹窄,導(dǎo)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(chǎn)量和育性的緊湊株型的材料。
同時(shí),葫蘆科作物不同物種之間都具有明顯的生殖隔離,遠(yuǎn)緣雜交非常困難。這就導(dǎo)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(guò)雜交手段運(yùn)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(chǔ)狹窄問(wèn)題,也限制了葫蘆科作物的遺傳改良?!睏顚W(xué)勇說(shuō)。
在南瓜基因里深挖,為黃瓜改良所用
由于遺傳基礎(chǔ)狹窄,目前黃瓜和西甜瓜中尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有重要育種價(jià)值的緊湊株型的材料。王深浩解釋說(shuō),這種育種材料應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)條件:有緊湊株型——節(jié)間短,不影響座瓜、產(chǎn)量和育性等重要農(nóng)藝性狀;緊湊株型的目標(biāo)性狀由顯性單基因控制,意味著育種家只需要改良一個(gè)親本就能夠用于商品種雜合F1代的生產(chǎn)?!皾M足以上條件的育種材料在葫蘆科作物中具有重要價(jià)值和育種操作的便利性?!?/p>
“具有豐富遺傳變異的種質(zhì)資源是育種持續(xù)突破的根本保障?!蓖跎詈普f(shuō)。為了解決這一育種難題,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三輪篩選,在2000多份南瓜種質(zhì)中尋找到唯一一份由顯性單基因控制的中國(guó)南瓜矮化種質(zhì)。
圖位克隆和遺傳驗(yàn)證揭示,南瓜矮化基因CmoYABBY1上的一段缺失序列,能夠增強(qiáng)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(fù)制”到葫蘆科其他作物上?
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),該基因種這段缺失序列中存在一個(gè)在葫蘆科作物中保守的元件B-region,也就是說(shuō)葫蘆科作物的基因組中都有這個(gè)元件B-region。
研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9基因編輯工具對(duì)黃瓜和西瓜中的B-region進(jìn)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(qiáng)了同源基因YABBY1的翻譯量,進(jìn)而不同程度的縮短了黃瓜和西瓜的主莖長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了莖長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)節(jié)。
王深浩說(shuō):“盡管通過(guò)圖位克隆獲得的南瓜矮化基因是質(zhì)量性狀基因,但是該研究中,人工產(chǎn)生的這些精細(xì)控制的不同莖長(zhǎng)可以類比為數(shù)量性狀,因此可以認(rèn)為通過(guò)基因編輯新產(chǎn)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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(chǎn)量或顯著降低勞動(dòng)力成本。
王深浩介紹,田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在露地鋪地栽培條件下,南瓜的一個(gè)等位基因的編輯株系相對(duì)于對(duì)照株系能夠提高單位面積產(chǎn)量約45%;在溫室吊蔓栽培條件下,黃瓜的一個(gè)等位基因編輯株系相對(duì)于對(duì)照株系,可以降低勞動(dòng)力約54%。
基因編輯產(chǎn)生的緊湊株型的黃瓜材料在田間種植的效果。中國(guó)農(nóng)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(jìn)化策略來(lái)創(chuàng)造全新農(nóng)藝性狀的趨勢(shì)?!睏顚W(xué)勇說(shuō)。
雖然在某些重要的農(nóng)作物中沒(méi)有出現(xiàn)人們想要的農(nóng)藝性狀,“但是我們認(rèn)為,在進(jìn)化當(dāng)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(duì)其的運(yùn)用還剛剛開(kāi)展。”
楊學(xué)勇強(qiáng)調(diào),定向人工進(jìn)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(biāo)性狀,通過(guò)遺傳學(xué)和分子生物學(xué)鑒定到近緣種里決定目標(biāo)性狀的變異,然后利用目標(biāo)基因功能的保守性,通過(guò)基因組編輯工具,在其他農(nóng)作物里定向編輯對(duì)應(yīng)的基因組序列,人工產(chǎn)生新的變異,將這些物種中隱藏的性狀開(kāi)發(fā)出來(lái),快速定向地創(chuàng)造出該農(nóng)作物里原本自然界不存在的農(nóng)藝性狀。
不過(guò),這種看似迂回的策略被該研究證明確實(shí)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(shè)計(jì),是優(yōu)化葫蘆科瓜類作物主莖長(zhǎng)度的有效策略,可以大幅度的提高葫蘆科作物的生產(chǎn)效率,對(duì)于加快葫蘆科作物緊湊株型改良和輕簡(jiǎn)化栽培具有重要的生產(chǎn)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(jià)值。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-022-01297-6