人工定向进化：让葫芦科作物长得更紧凑

中国农科院供图

一个物种的种质资源群体内，变异缺乏，同质化严重，是目前主要农作物都面临的遗传基础狭窄的问题。遗传基础狭窄是农作物改良难以取得突破性进展的全球问题。

近期，来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所（以下简称蔬菜所）、深圳农业基因组所、西北农林科技大学、北京市农林科学院蔬菜研究所等4家合作单位的研究团队，针对葫芦科瓜类作物遗传基础狭窄、难以获得紧凑株型的问题，提出了一种定向进化策略——通过筛选近缘种中具有育种价值的显性矮生稀有变异，针对性地在其他多种瓜类作物中人工产生新的变异，创造出原本自然界不存在的紧凑株型连续体，将可大大提高葫芦科瓜类作物的生产效率，显著节省劳动力的投入。相关研究成果于2022年12月13日发表于《自然—植物》（Nature Plants）。

(资料图)

论文审稿人认为，这项研究成果是新颖和重要的，对育种家筛选自然种群或人工创造作物株型变异有价值。

葫芦科作物紧凑株型什么样？

黄瓜、甜瓜和西瓜等葫芦科瓜类作物是世界上重要的经济蔬菜/水果作物。然而，“绝大部分葫芦科瓜类作物品种节间较长、植株较高，这种不紧凑的株型是其未被驯化的特征。这使得栽培群体的种植密度较低，进而导致单位面积产量较低。”论文第一作者、蔬菜所与西北农林科技大学联合培养博士后王深浩（现为副教授）告诉《中国科学报》，葫芦科作物的主茎较长，因此需要耗费大量的人工进行吊蔓或压蔓整枝的操作，费时费力，造成了生产效率低下，不利于轻简化栽培。

具有显性遗传的特征，并且不影响座果和产量的紧凑株型已成为葫芦科作物急需改良的一个重要方向。

论文通讯作者、蔬菜所研究员杨学勇认为，葫芦科作物的紧凑株型应该与栽培生产紧密结合，不同的葫芦科作物由于生长习性不同，根据不同的栽培模式（露地或温室）和收获方式（连续采摘嫩瓜或一次性收获成熟瓜），需要的理想紧凑株型也不相同。

第一种，对于在露地种植的葫芦科作物，如西瓜、甜瓜和南瓜等，收货的是成熟果实。极度矮化的株型非常适合密集种植和高产，虽然矮化植株的单株产量可能较低，但这种单株产量减少可以通过更高的密度种植来补偿，即实现更高的单位面积产量。同时由于无需压蔓整枝，降低了劳动力的投入，从而提高农业生产率。

第二种，对于温室或大棚中种植的葫芦科作物，如黄瓜、苦瓜、丝瓜等，需要连续收获新鲜果实，适度缩短主茎长度的株型，可以在不影响产量的基础上，减少整枝打杈和放蔓落蔓的操作，从而大大节省劳动力成本。

“遗传变异是选择育种的基础。”论文通讯作者、蔬菜所研究员杨学勇接受《中国科学报》采访时说，葫芦科作物的遗传基础都比较狭窄，导致葫芦科作物的遗传变异不够丰富。在很多葫芦科瓜类作物中，育种家很难找到不影响产量和育性的紧凑株型的材料。

同时，葫芦科作物不同物种之间都具有明显的生殖隔离，远缘杂交非常困难。这就导致了即使在某些物种里发现了潜在可利用的表型和变异，也很难通过杂交手段运用到别的瓜类作物上。“因此传统杂交的方法难以解决葫芦科作的遗传基础狭窄问题，也限制了葫芦科作物的遗传改良。”杨学勇说。

在南瓜基因里深挖，为黄瓜改良所用

由于遗传基础狭窄，目前黄瓜和西甜瓜中尚没有发现具有重要育种价值的紧凑株型的材料。王深浩解释说，这种育种材料应当满足两个条件：有紧凑株型——节间短，不影响座瓜、产量和育性等重要农艺性状；紧凑株型的目标性状由显性单基因控制，意味着育种家只需要改良一个亲本就能够用于商品种杂合F1代的生产。“满足以上条件的育种材料在葫芦科作物中具有重要价值和育种操作的便利性。”

“具有丰富遗传变异的种质资源是育种持续突破的根本保障。”王深浩说。为了解决这一育种难题，研究团队通过三轮筛选，在2000多份南瓜种质中寻找到唯一一份由显性单基因控制的中国南瓜矮化种质。

图位克隆和遗传验证揭示，南瓜矮化基因CmoYABBY1上的一段缺失序列，能够增强该基因的蛋白翻译水平，使得南瓜主茎极度缩短。

然而南瓜上的发现可否“复制”到葫芦科其他作物上？

进一步分析发现，该基因种这段缺失序列中存在一个在葫芦科作物中保守的元件B-region，也就是说葫芦科作物的基因组中都有这个元件B-region。

研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑工具对黄瓜和西瓜中的B-region进行靶向删除，创造出B-region各种不同的缺失形式，不同程度的增强了同源基因YABBY1的翻译量，进而不同程度的缩短了黄瓜和西瓜的主茎长度，实现了茎长的精细调节。

王深浩说：“尽管通过图位克隆获得的南瓜矮化基因是质量性状基因，但是该研究中，人工产生的这些精细控制的不同茎长可以类比为数量性状，因此可以认为通过基因编辑新产生的等位基因是人工数量性状基因座。”

看似迂回的育种策略

研究团队根据不同瓜类作物的不同栽培模式，将基因编辑获得的新等位基因植株进行精确配置，发现基因编辑的矮化植株可以显著的提高单位面积产量或显著降低劳动力成本。

王深浩介绍，田间试验发现，在露地铺地栽培条件下，南瓜的一个等位基因的编辑株系相对于对照株系能够提高单位面积产量约45%；在温室吊蔓栽培条件下，黄瓜的一个等位基因编辑株系相对于对照株系，可以降低劳动力约54%。

基因编辑产生的紧凑株型的黄瓜材料在田间种植的效果。中国农科院供图

“该研究中用到的方法代表了一种采用定向人工进化策略来创造全新农艺性状的趋势。”杨学勇说。

虽然在某些重要的农作物中没有出现人们想要的农艺性状，“但是我们认为，在进化当中有用的信息都隐藏在了基因组里，只是我们目前理解和挖掘的太少，对其的运用还刚刚开展。”

杨学勇强调，定向人工进化策略是一种看似迂回的策略：从近缘物种中去筛选和挖掘“暴露” 出的目标性状，通过遗传学和分子生物学鉴定到近缘种里决定目标性状的变异，然后利用目标基因功能的保守性，通过基因组编辑工具，在其他农作物里定向编辑对应的基因组序列，人工产生新的变异，将这些物种中隐藏的性状开发出来，快速定向地创造出该农作物里原本自然界不存在的农艺性状。

不过，这种看似迂回的策略被该研究证明确实有效。他们发现了葫芦科作物的YABBY1基因上B-region的定向设计，是优化葫芦科瓜类作物主茎长度的有效策略，可以大幅度的提高葫芦科作物的生产效率，对于加快葫芦科作物紧凑株型改良和轻简化栽培具有重要的生产意义。该研究提出的策略也将为其他性状或物种的遗传改良提供重要的参考价值。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01297-6