测测“血型”,育出好瓜不怕裂

发布时间:2020-04-29来源:浙大资讯办编辑:柯溢能173

果实开裂是自然界中的常见现象,从进化上来讲“瓜熟蒂落”有助于种子的传播和植物的繁衍。从产业上来讲,田间和采后的果实开裂,都将大大降低经济效益和消费价值。

果实开裂造成巨大产量损失(左:田间裂瓜导致减收或绝收;右:西瓜丰收对比)

从另一个方面讲,果皮的耐裂性与果肉品质紧密连锁,导致了“耐裂品种不优质,优质品种不耐裂”的现象。因而,西瓜果皮坚硬耐裂同时果肉清脆爽口成为了一个重要育种目标。这样一来从田间到餐桌,瓜农好种、经销商好卖、消费者觉得好吃,三全其美。

经过多年研究,437437必赢注册农业与生物技术学院张明方教授课题组首次发现了与新鲜果实耐裂相关的基因,不仅为进一步阐明果实耐裂性机理提供了新见解,同时也有利于加速耐裂优质品种的精准育种,为通过分子标记辅助育种等技术改良西瓜品种的耐裂性提供了重要的靶标基因。

这项成果以封面文章发表在国际知名植物学杂志《植物生物技术杂志》Plant Biotechnology Journal)。437437必赢注册437437必赢注册农业与生物技术学院博士生廖南峤、胡仲远副教授为共同第一编辑,张明方教授为论文的通讯编辑。


西瓜皮耐不耐裂,这次找到了评价指标

果实裂果是农业生产中普遍发生的现象,严重影响果实的产量和商品性。西瓜在生产和物流过程中均易出现裂果现象,每年田间和物流阶段的产量损失巨大。

西瓜从唐代经古丝绸之路进入中国,也历经自然选择和人工培育,但却一直没有很好的体系评价西瓜皮的耐裂性,传统的育种家采用感官评价,捏一把或者刀切一下,这种方法完全凭育种者的经验,育种效率低,无法解析果实耐裂机制,也很难打破“耐裂品种不优质”的桎梏

如何把耐裂性状用一个数值标记出来,是张明方课题组这次研究的第一个亮点。他们通过质构仪选用不同形状的探头,测量了果皮硬度、破裂性、破裂率、破裂力做功等8个不同评价指标。这些测量数据既涵盖了传统耐裂性判断的指标,更包含了很多传统方法无法测量的指标。“准确量化耐裂性状、精准定位耐裂基因,能为培育耐裂品种提供重要的理论支撑,具有重要科学意义和应用前景。”

多个耐裂性状指标的共定位

张明方先容,果皮硬度就是测量西瓜在破裂瞬间受到的力,破裂性就是机械稳定施压导致果实的主动破裂情况,破裂率就是同样力切西瓜,会形成主动破裂周长。

根据这些前期指标,科研人员用耐裂性显著差异的西瓜进行杂交,并对400多个西瓜F2代开展实验性状调查。科研人员在对159个随机样本进行单株测序后发现,所有耐裂相关指标都共同定位到西瓜的10号染色体上,而果皮硬度数据锚定的区域最为清晰精确。

在实验的空隙,最有趣的还是一起吃西瓜。“大家都围着西瓜做研究,实验后就围着吃西瓜,评瓜品味,有些实验的灵感就是来自于吃西瓜。”胡仲远说。


西瓜也有血型,这样的瓜娃子最好吃

在初步锁定10号染色体后,课题组创新了单株染色体片段来源分析方法,利用F2个别在候选区域发生重组的个体以及他们的自交后代F3群体,通过耐裂表型和基因型关联分析缩小候选区间,锁定关键基因,科研人员发现该区域存在一个ERF4 基因,是耐裂与否的重要因素。胡仲远表示:“只用杂交第三代就能精确定位到基因,这是用传统基因定位方法无法做到的,都是得益于大家创新的表型评价体系和基因挖掘方法。”

在自然界的不同西瓜种质的10号染色体上,存在两种类型的等位基因ERF4-aERF4-b,与本实验的耐裂亲本拥有相同的ERF4-a基因的西瓜基本都耐裂;而具有ERF4-b基因的则表现为容易开裂;兼而有之的杂合类型,则表现为果皮坚硬,果肉较松脆。张明方用“血型”给这些西瓜样本打了个比方,耐裂的如果是A型,那么就可以把不耐裂的比成B型,兼而有之的则是AB型。

通过创新研究方法实现耐裂基因的快速精准定位

由于找到了耐裂性功能基因,课题组很快研发出分子标记物,只要用一点点叶片提取DNA进行分析,就可以很快的测试出西瓜属于哪个“血型”。在对已有的104个西瓜品种资源进行验证后,科研人员发现西瓜的“血型”可以很好地反映耐裂性。另一方面,张明方团队还对市面上销售的30余份不同西瓜商品种进行了检测,发现只有在设施栽培的西瓜品种中才会发现较多的“B型血”,而露地栽培的西瓜品种,基本上全是纯合的A型或杂合的AB型。

这是因为“B型血”西瓜的果皮容易开裂,在露地栽培很容易受到雨水等不利因素刺激而发生田间果实开裂,所以在长期育种过程中,“B型血”被逐步淘汰了。而在设施栽培条件下,避雨设施为西瓜提供了保护,不耐裂的西瓜也能较好地生长,育种家们在选育优质品种的过程中,不知不觉地把不耐裂的“B型血”保留了下来,而耐裂的纯合“A型血”由于常常联锁果肉较硬这一不良品质,就很少被保留在设施西瓜品种里了。

从大家的日常经验中也可以发现,在露天生长受到风吹雨打,西瓜品种的果皮必需更加坚韧。”胡仲远说,“事实上在AB型的品种里,更有可能发现又耐裂又清脆好吃的西瓜。”

那么是什么让A型和AB型西瓜更耐裂呢?

课题组继续开展研究,他们发现ERF4 基因是乙烯信号途径的重要转录因子,从基因进化角度和结构特征判断,该基因很可能调控细胞壁木质素的生长和积累。“木质素就好像细胞壁的钢筋,形成铜墙铁壁,让细胞壁更坚固、更有韧性和硬度。”张明方说。

功能基因的进化分析为功能预测和后续机理研究提供重要线索


精准育种找到新方向

张明方先容,功能基因的分子标记为育种筛选带来了新的可能。

在之前如果需要筛选品种,需要大量的人力物力栽培巨大的种群进行大量的普查式的性状研究,而有了分子靶标,就可以先对各类品种资源进行苗期筛选,再选择带有目标基因的少量个体进行田间种植。

比如耐裂优质西瓜的选育,大家不再需要在每个世代开展耐裂性选择,只需选择出AAB血型的材料再开展田间种植,再从中选育果肉品质佳又较耐裂的个体繁育后代。这样不仅可以减少每季的种植量,而且不用担心耐裂基因在育种过程中“丢失”,获得目标品种的时间也将大大缩短。“将自然界已有的优质基因筛选出来,进而开发相关分子标记,可以大大提高育种的精度和速度。”

不断发掘抗逆、抗病、优质等相关功能基因,并利用分子标记辅助育种技术,将各种有益性状高效地集合到大家的育种材料中,选育出田间-物流-餐桌“三全其美”的西瓜新品种,成为了张明方团队西瓜精准育种的新方向。

本项目受国家西甜瓜产业技术体系、国家自然科学基金等项目支撑。

(文 柯溢能/图片由课题组提供)

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