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不同生态型的桃果实具有丰富的遗传多样性。中国农业科学院郑州果树研究所供图

中国人经常用“桃李满天下”来比喻。很多老师或长辈培养的精英接班人遍布全国。

近日，《基因组研究》在网上发表了中国农业科学院郑州果树研究所研究员王丽荣的研究成果。该团队通过对多种环境因素对桃基因组影响的遗传分析，赋予了“桃李满天下”的遗传学意义，可以帮助育种者提高品种对气候变化的适应能力。

来自气候变化的压力

论文合著者王丽荣长期从事桃树研究。在河南省郑州市，她带领团队建立了国家园艺种质资源库——桃资源园，拥有1430份桃种质资源，是世界上保存最完整的桃种质资源库。通过分析资源园89份桃种质的长期监测数据，王丽荣团队发现桃的开花时间比30年前提前了10天。

“桃对环境变化非常敏感，提前开花会受到‘春末寒’的威胁。”王丽荣说，气候变化对农业生产有很大影响。许多研究已经发现了使水稻、大豆和其他粮食作物适应当地环境的基因。然而，很少有研究集中于水果作物，如桃树，其全球年产量为2450万吨，是世界上主要的果树品种。

现在的桃品种能适应未来的气候变化吗？这让王丽荣萌生了研究桃树这种适应性强的果树如何与环境相互作用的想法。

她告诉《中国科学报》记者，桃原产中国，分布广，适应性强，是研究植物环境适应性的好材料。此外，“桃基因组小，二倍体、倍性低；桃树自花授粉结实，基因组杂合度低；育苗期短，只有2~3年，繁育时间比其他果树短。桃进化史上没有全基因组复制事件，基因组简单，冗余基因相对较少。因此，桃被认为是蔷薇科果树研究的模式物种王丽荣说。

“基因是分子育种的关键。明确桃适应不同环境条件和应对气候变化的基因，可以使新培育品种的适应性始终领先于环境变化的速度，可以降低环境变化对粮食安全的威胁。”王丽荣说。

论文合著者、美国康乃尔大学教授费·张钧告诉《中国科学报》记者，研究桃树与环境相互作用的遗传基础，可以培育出生长在许多不同恶劣环境中的桃新品种，将其地理范围扩大到新的地区，为当地带来更多优质果实。

200个与环境相关的网站

由于人们关注的是风味、甜味等口感品质，很多桃品种中与环境适应相关的基因已经丢失。不过，费说，桃子有许多野生亲缘和地方品种，它们长期以来适应了当地的具体条件。它们具有巨大的遗传多样性，可以为提高“表亲”的适应性提供资源。

怎样做才能更快地找到这些基因？"我们的种质资源库保存了完整的基础资料."王丽荣说，每个桃种质都可以追溯到它的采集地，这意味着科学家可以知道它的适宜环境在哪里。

传统上将桃品种按地理分布和性状分为7种类型。王丽荣认为，通过利用当地气候条件和当地品种基因型之间的相关性分析，我们可以找到适应当地环境的相关基因。研究小组对覆盖7个地理区域的263份桃种质资源进行了全基因组环境关联研究。

证实了这些种质确实可以分成与地理分布相匹配的7个类群。论文第一作者李勇告诉《中国科学报》记者，进一步分析环境、基因组和地理位置之间的相关性，发现环境和基因组之间有很高的相关性，说明基因组之间的差异是环境造成的，基因组随着环境的变化而变化。

“也就是说，由于环境的自然选择，桃为了适应环境产生了不同的变异，导致7个生态型桃品种的基因组特征不同，形成了适应不同环境条件的基因组模式。”李勇说。

他们还确定了2700多个与环境相关的基因位点，这些位点与影响这些地区气候的51个环境因素密切相关。比如东北高寒地区的桃树，在组氨酸磷酸转移蛋白基因AHP5上有独特的遗传变异，赋予了这些品种抗寒的能力。

再比如，在干旱地区的桃树中，通过自然选择，筛选出了一系列与抗旱性密切相关的脱落酸调控途径的基因。进一步的实验表明，在干旱胁迫下，脱落酸诱导了较高水平的蔗糖合成酶，这解释了干旱地区桃果实含糖量高于其他地区的原因。费·张钧说:“当桃树在干旱等逆境条件下生长时，果实会变得更甜。在这项研究中，我们发现了干旱和桃糖含量之间的直接遗传联系。”

然而，在青藏高原的桃样品中，研究小组发现了查尔酮合酶CHS2基因的变异，导致其对高海拔强紫外线辐射的耐受性。该基因的高表达增加了植物新组织中花青素的含量，从而保护其免受紫外线辐射。

他们还提出了桃树开花早的潜在遗传解释——昼夜节律基因LNK1的变异。当温度升高时，这种突变上调表达，导致开花。费张钧说，“这一发现可能最终使育种者能够控制果树的开花时间，以便在种植者和市场准备就绪时收获桃子。”

千桃基因组计划

“我们的研究提供了许多候选基因，揭示了桃子如何适应各种环境压力和刺激。”王丽荣说，“育种者可以利用这些信息培育适应性更广的桃品种，从而更好地应对极端温度、干旱和气候变化。”

这项工作是王丽荣团队发起的“千桃基因组”项目的阶段性成果之一。据王丽荣介绍，该计划以分布在世界各地的1000多个桃野生近缘种、地方品种和栽培品种为材料，进行全基因组测序，发现控制重要农艺性状、抗性性状和环境适应性的关键基因，分析桃的进化驯化机制、重要农艺性状的形成机制和环境适应性的遗传基础，开发实用的分子育种标记，为分子设计育种奠定基础。

此前，该团队已在桃基因组变异特征、人工选择改造桃基因组、驯化及农艺性状相关分析等方面取得重要进展。最新研究主要揭示了自然选择对桃基因组的影响以及桃适应不同环境的遗传基础。

王丽荣说，下一步，他们将利用丰富的种质资源，开展蔷薇科果树如何适应环境的遗传研究，为培育适应气候变化的果树新品种奠定理论基础。(李晨)

来源:中国科学杂志