酸口甜口可“订制”为桃风味改良提供强有力的工具

2021-07-29 16:37:39

水蜜桃,不仅具有优质的风味,而且对世界现代桃品种遗传改良做出了重要贡献。然而,目前尚缺乏水蜜桃参考基因组,阻碍了对其进行遗传研究和优异基因资源的挖掘和利用。“工欲善其事,必先利其器”,一个有代表性的高质量参考基因组,无疑可为桃风味改良提供强有力的工具。

近日,北京市农林科学院科研团队公布了中国水蜜桃高质量参考基因组,阐释了以水蜜桃为代表的优良品种对于全球桃育成品种的遗传贡献;进一步揭示了桃风味改良过程中,东、西方对甜度的趋同选择和酸度的分化选择模式,揭示了控制主要有机酸和可溶性糖的遗传位点,解析了重要基因在果实苹果酸和果糖积累中的功能。

这项研究提供了高质量参考基因组和丰富的遗传资源,为进一步深入解析桃果实风味形成的遗传机制,促进重要品质性状的遗传改良奠定了基础。相关成果在线发表于《自然—通讯》。

中国桃的两次“走出去”

桃属蔷薇科李属桃亚属落叶乔木果树,其全球种植面积及产值居核果类之首。中国是全球最大的产桃国,约占世界总产量的62%。

“桃的故乡在中国。现代桃95%以上品种都直接或间接与我国水蜜桃相关。”文章通讯作者、北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心(以下简称生物中心)研究员谢华在接受《中国科学报》采访时说。历史上我国有两次栽培桃“走出去”的关键时期,对世界桃优良品种的形成起到了重要作用。

第一次“从无到有”,通过古丝绸之路,从我国西部地区传播到古波斯地区,后经亚欧大陆传到欧洲,于公元16世纪由欧洲传播至美洲大陆。第二次“从有助优”,从19世纪中叶开始,我国东部地区以中国水蜜桃为代表的优良品种通过海上丝绸之路传播到日本及美洲地区,并且更大范围地扩散至全球,拉开了桃现代品种选育和改良的序幕。

为揭示其果实重要农艺遗传基础,该研究团队选取了中国水蜜桃代表材料之一的龙华水蜜,采用三代单分子测序,搭配Hi-C挂载的策略对龙华水蜜基因组进行组装,获得了高质量的参考基因组(基因组大小为257.2 Mb,Contig N50为5.17 Mb)。

相对于目前已有的桃参考基因组,该参考基因组具有更高的完整度和连续性,突破了已有的参考基因组在遗传分析上的限制。“这个高质量的参考基因组将会对未来桃品质的研究产生更加深远的影响。”谢华告诉《中国科学报》。

调控糖酸风味的遗传密码

桃从我国传入世界各地以后,经过漫长的遗传改良,在遗传基础的选择上发生了改变,东、西方的桃品种在综合风味品质上出现了分化。西方品种的口味主要偏向于酸甜风味类型,追求一定糖酸比下的酸甜可口的风味;而东方口味更偏向低酸高甜类型。

科研团队利用564份桃基因组数据,通过群体结构结合糖、酸相关表型的分析发现,与酸风味的东、西方分化选择不同,东、西方在追求甜度方面倒是默契的一致。

果实甜度是桃风味的重要决定因素。“果实中主要糖类有蔗糖、果糖、葡萄糖和山梨醇,我们基于全基因组分析,发现了多个控制果实主要糖类含量的QTLs位点及其遗传效应,为桃风味遗传改良提供了分子位点。”文章第一作者、生物中心助理研究员于洋在接受《中国科学报》采访时说。

“在此之前,我们一直认为桃甜度遗传改良中的‘主角’可能是蔗糖,但是通过遗传分析发现,在东、西方桃甜度改良过程中果糖含量的提升发挥了更为重要的作用。”谢华指出。

“在寻找控制果糖含量基因位点时,我们使用了多种方法,建立了多个模型,最终我们确定位于1号染色体上控制果糖含量的主效位点,并从中筛选到一个候选基因PpERDL16,该基因的表达量与果糖含量呈显著联系。”文章第一作者、生物中心博士后官健涛告诉《中国科学报》。

此外,结合桃材料多年表型数据,科研人员发现在桃改良过程中,东、西方群体的选择区间富集了与苹果酸、柠檬酸合成和转运相关的基因,为揭示二者有机酸表型分化提供了候选基因,并证实了PpALMT1这个关键基因可促进苹果酸在果实中的积累。

“找到了这些遗传密码,对于今后破解其机理以及用这些基因更有靶向地调控桃的风味,或者创造出人们更喜欢的糖酸比,具有非常大的应用价值。”文章通讯作者、生物中心研究员魏建华在接受《中国科学报》采访时说。

新阶段迎来更大挑战

桃是北京市第一大鲜果,作为全国最早开展桃育种工作的科研机构之一,北京市农林科学院林业果树科学研究院研究员、文章通讯作者姜全团队已推广了一批深得市场认可的好品种,如绿化九号、北京24号、瑞光、瑞蟠系列品种等。

目前,现代育种从常规育种进入到了与分子育种有机整合的阶段。

“我们现在吃的大部分桃品种都出自传统育种。但是,传统育种已进入一个瓶颈期,现在需要把基础研究成果加进来,以此促进传统育种进一步创新性变革,提升桃风味品质育种水平。”魏建华指出。

值得一提的是,此前北京市农林科学院在“桃果实可食用演化机制”和“蟠桃果形遗传调控机制”等基础研究方面取得突破性进展,相关研究结果已分别发表在《自然—通讯》和《基因组生物学》上。

基于这些基础研究成果,科研团队逐步开始付诸于分子设计育种改进的实践中。“我们现在一直在开发高通量分子设计育种平台,希望能够快速创造出更优异的桃种质。接下来,我们会在前期研究成果的基础上,开展人工预测和调控糖酸品质工作。”谢华说。

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