關鍵基因組被破解有望加速蘋果矮化品種選育

目前占我國蘋果產量70%上的主栽品種“富士”，其實是禮泉短富、“玉華早富”等100余個富士系芽變品種群的總稱。這些品種芽變的基因組基礎是什么？其廣受歡迎的短枝型性狀，即就是矮化品種類型是哪個關鍵基因在起作用？

  a.蘋果短枝型和標準型形態觀察；b.蘋果短枝型和標準型MdTCP11基因啟動子序列對比；c .MdTCP11基因過表達蘋果表型鑒定和統計。

 富士短枝型芽變品種樹體（右）和標準型樹體對比觀察。論文作者提供圖片

長期以來困擾我國蘋果矮化品種選育工作的這兩個難題，近日被西北農林科技大學（簡稱西農）西北旱區果樹發育生物學團隊破解。

該團隊聯合國內外多家單位協同攻關，最終揭示了富士蘋果80余年芽變選種的基因組學基礎，解析了短枝型變異的遺傳學機制，為提高蘋果芽變選種效率和矮化育種提供了理論指導和基因資源，其研究成果在線發表于《自然-通訊》。

蘋果、柑橘和梨等多年生果樹品種一經選育出來，即通過嫁接進行無性繁殖，在此過程中產生的體細胞變異可引起優勢性狀的出現，這就為果樹的芽變育種奠定了基礎。據了解，蘋果中超過30%的品種是通過芽變選種培育而來。

一直以來，常規的遺傳變異檢測基于單個參考基因組，在序列比對時會產生參考基因組偏好性，影響變異檢測的準確度。特別是對蘋果等高雜合度物種，傳統檢測方法所獲得的變異大多是在不同芽變品種中的共有雜合胚系變異，真正導致芽變品種具備不同特點的體細胞變異往往被掩蓋在其中。

針對這一問題，該研究團隊使用長讀長測序數據、家系數據和Hi-C（高通量染色體構象捕獲）數據，構建了一套完全定相的高質量二倍體基因組，并由此開發了一套體細胞變異檢測流程，將基因組測序數據比對到最優的單倍體基因組上，從而降低了變異檢測過程中的假陽性，成功排除掉了品種間共享的雜合胚系變異的干擾，為后續分析提供了重要基礎。

果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室主任、華中農業大學教授徐強認為，該檢測流程精確區分了體細胞變異與雜合變異，不僅能夠服務于蘋果遺傳改良，還為果樹及無性繁殖作物體細胞變異研究提供了新的案例。

通過使用這些體細胞變異構建系統發育樹，該研究團隊發現短枝型性狀存在于系統發育樹的多個分支上，其中一個分支聚集了主要的短枝型品種，這些品種都與一個叫做MdTCP11的基因有關。

“這表明該基因在蘋果短枝型品種節間發育中具有重要作用。”研究團隊負責人、國家蘋果產業技術體系首席科學家、西農張東教授介紹，短枝型芽變品種具有樹體矮化、枝條緊湊、早果豐產等特性，是低消耗高產出的生態友好型蘋果品種。

據了解，目前該團隊已選育了多個短枝型芽變品種優系，其中暫定名為“豐富2021”的優系在陜西、甘肅和新疆等地試栽表現良好，正在申請國家登記。

在世界范圍內，現代蘋果矮化密植栽培中，多依賴嫁接矮化砧木實現致矮。如果利用短枝型蘋果芽變品種嫁接抗性好的喬化砧木或半矮化砧木，將會迎來中國式蘋果矮化栽培革新，有力推動我國果樹“上山上坡、利用四荒”。中國農業大學教授韓振海說，“該成果是蘋果品種矮化研究上取得的重要進展，在我國應用潛力巨大。”

西農的蔡鈺東、高秀華、毛江萍、劉昱、童路和陳錫龍為研究論文第一作者，西農張東教授、姜雨教授、毛江萍副教授和美國康奈爾大學費章軍教授為論文的通訊作者，康奈爾大學、法國國家科學研究中心、新西蘭植物食品與研究所和遼寧省果樹科學研究所等國內外多家單位參與了此項研究工作。

文章相關信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54428-2