桃子背后的學(xué)問

  桃，起源于中國(guó)，在我國(guó)已有數(shù)千年的栽培歷史。最早的文獻(xiàn)記載可以追溯到《詩經(jīng)》。晉代的陶淵明在《桃花源記》中描繪了一個(gè)世外桃源，一個(gè)與世隔絕、和平寧靜的理想社會(huì)，也讓“桃花源”成為理想世界的代名詞。

  唐代詩人白居易的詩句“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開”暗示人們要珍惜時(shí)光，抓住生命中每一個(gè)美好瞬間。此外，桃也常被視為長(zhǎng)壽和不朽的象征，著名的道教傳說中，西王母的蟠桃宴就是以桃子為主題，傳說這些蟠桃?guī)浊瓴艜?huì)成熟一次，吃了可以長(zhǎng)生不老。

  可以看出，小小的桃子不僅是美味的水果，還在中國(guó)文化中占據(jù)重要地位，成為文學(xué)、藝術(shù)和民俗中常見的元素。

  事實(shí)上，從生物學(xué)角度來看，小小的桃子背后蘊(yùn)藏著許多學(xué)問。

  桃果實(shí)富含維生素C、纖維素以及多種礦物質(zhì)，對(duì)健康有益。因此，桃作為一種營(yíng)養(yǎng)豐富、口感良好的水果，在市場(chǎng)上有著廣泛的需求。

  隨著現(xiàn)代育種技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，市場(chǎng)上桃品種越來越多。從果實(shí)顏色來看，有紅肉桃、黃肉桃和白肉桃；從外觀區(qū)分，有圓桃和蟠桃之別；按照果實(shí)表皮毛有無可以分為油桃和毛桃；依據(jù)果肉質(zhì)地又可分為軟桃和硬質(zhì)桃；從果核與果肉的分離程度還有離核和粘核的差異……

  形態(tài)學(xué)上的豐富變異，表明桃具有高度的遺傳多樣性，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)奧秘。我們的研究正是試圖揭開這些謎底，助力桃果實(shí)品質(zhì)的遺傳與改良，為桃產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

 

血桃著色的秘密

 

  湖北是我國(guó)桃主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積110萬畝左右，位列全國(guó)第四，目前呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。其中，作為湖北地方品種的紅肉桃，因其血紅的果肉顏色和高效的抗氧化能力備受廣大消費(fèi)者青睞，也引起了育種學(xué)家的高度關(guān)注。

  紅肉桃又稱血桃，根據(jù)記載，湖北的紅肉桃最初可能來源于大悟縣。不同的地方關(guān)于紅肉桃叫法也各異，它還有大紅袍、小紅袍、胭脂桃、朱砂紅、狗血桃等多種稱呼。

  回國(guó)組建實(shí)驗(yàn)室后，我遇到的第一個(gè)感興趣的課題就是紅肉桃。但當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室條件簡(jiǎn)陋、經(jīng)費(fèi)稀缺，開展這項(xiàng)研究并不容易。所幸我遇到了一批勤奮刻苦、勇于探索的研究生，同時(shí)也很感謝湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所研究員何華平，在當(dāng)時(shí)熱心地為我們提供研究材料。

  一切準(zhǔn)備就緒，解析血桃著色機(jī)理的相關(guān)課題正式提上了日程。初步實(shí)驗(yàn)后，我們得到了復(fù)雜的分析結(jié)果，意味著要從數(shù)千個(gè)差異表達(dá)的候選基因中，找到控制血桃著色性狀的關(guān)鍵基因。

  顯然這并非易事。那段時(shí)間，我們幾乎天天泡在實(shí)驗(yàn)室里，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，反復(fù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和核對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，在與新西蘭科學(xué)家的合作下，我們利用病毒介導(dǎo)的瞬時(shí)沉默技術(shù)，達(dá)到了在桃果肉中驗(yàn)證候選基因的目的。

  終于，課題組成功克隆了調(diào)控血桃著色的BL基因，并成功解釋了血桃和白肉桃的果肉出現(xiàn)如此明顯差異的原因。

  這些成果成為我們團(tuán)隊(duì)的重大突破，同時(shí)，研究中發(fā)現(xiàn)的BL基因也是我國(guó)果樹研究領(lǐng)域首個(gè)通過圖位克隆方法挖掘到的功能基因。這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了我國(guó)果樹遺傳學(xué)研究。

 

“近核紅”產(chǎn)生的原因

 

  除了血桃這種比較特殊的品種外，還有一類桃子在日常生活中也比較常見，但背后的科學(xué)問題卻鮮少有人思考。

  在桃加工產(chǎn)業(yè)中，有一種“近核紅”現(xiàn)象，即靠近桃果核的果肉呈紅色，這種現(xiàn)象為罐裝桃的生產(chǎn)帶來了額外的挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@意味著制作桃子罐頭時(shí)，人們需要對(duì)紅肉部分進(jìn)行額外的處理，增加了生產(chǎn)成本。因此，弄清楚“近核紅”性狀的產(chǎn)生原因，不僅是一個(gè)有趣的科學(xué)問題，更是一個(gè)亟待解決的產(chǎn)業(yè)需求。

  通過遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，我們篩選出幾十個(gè)可能的候選基因，通過不斷地排除和檢驗(yàn)，最終鑒定到調(diào)控桃果實(shí)“近核紅”性狀形成的重要基因，并發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵的協(xié)同因子。

  在這兩個(gè)基因的共同作用下，促進(jìn)了調(diào)控花青素合成的“明星基因”PpMYB10.1的轉(zhuǎn)錄水平，從而引起近核處花青素的大量積累，導(dǎo)致了“近核紅”現(xiàn)象的產(chǎn)生。該研究成果為加工桃新品種的選育提供了重要的理論依據(jù)和基因資源。

 

油桃為什么沒有毛

 

  作為一種形態(tài)豐富的水果，桃與桃的不同不僅體現(xiàn)在果肉上，還體現(xiàn)在外觀上。

  一直以來大家都很好奇，為什么有的桃子果面有毛，有的桃子果面光滑沒毛？桃子果面光滑與否是什么原因?qū)е碌模?/span>

  我們團(tuán)隊(duì)的一名研究生也注意到了這個(gè)有趣的問題。他在前人遺傳學(xué)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一年多的基因功能分析和驗(yàn)證，找到了引起毛桃和油桃分化的關(guān)鍵候選基因。

  在團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，我們?cè)谔夜麑?shí)表面有毛和無毛的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步找到了導(dǎo)致油桃表面光亮的原因。更有趣的是，控制這兩個(gè)性狀的基因居然是同一個(gè)——PpMYB25，這個(gè)基因不僅控制著桃果皮毛的形成，并且還調(diào)控果皮蠟質(zhì)的合成。因此，如果PpMYB25突變，將會(huì)導(dǎo)致桃表皮光亮、無毛的特性，即表現(xiàn)為我們平時(shí)所說的“油桃”。

 

“跳色”的桃花

 

  除了桃子果實(shí)，從古至今，人們對(duì)桃花的熱愛也是有增無減，而二色桃則是桃花中當(dāng)之無愧的翹楚。

  二色桃俗稱紅白花桃，該品種在一棵樹上或者一個(gè)枝條上有交替的紅色、白色和粉紅色的花，甚至有的花瓣也是紅白相間的。

  為了弄清楚紅白花中出現(xiàn)這種“跳色”的神奇現(xiàn)象的原因，我們開展了大量研究：從不同顏色花中花青素含量和種類的差異分析，到花青素合成通路上結(jié)構(gòu)基因、花青素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)錄水平檢測(cè)；從比較轉(zhuǎn)錄組分析，到比較蛋白組分析……每一步看似簡(jiǎn)單的過程，背后都藏著團(tuán)隊(duì)成員們無數(shù)個(gè)日夜的埋頭苦干和一次次不厭其煩的從頭再來。

  隨著研究的不斷深入，我們終于弄清了產(chǎn)生這種雜色花的原因。原來，是控制桃花青素轉(zhuǎn)運(yùn)的Riant基因比較“調(diào)皮”。

  研究發(fā)現(xiàn)，在白花和粉花中出現(xiàn)了幾個(gè)堿基的缺失或插入，導(dǎo)致Riant基因的功能失活，所以無法正常地將花青素轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中進(jìn)行儲(chǔ)存，從而導(dǎo)致出現(xiàn)桃花顏色的差異。表現(xiàn)在整個(gè)植株上，就會(huì)形成一棵樹、一個(gè)枝條或一朵花上面同時(shí)呈現(xiàn)紅色、白色和粉色的現(xiàn)象。

 

可酸也可甜

 

  色澤和風(fēng)味品質(zhì)是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的兩個(gè)主要因素，其中有機(jī)酸和可溶性糖的含量和比率是決定果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

  為了進(jìn)一步提高桃子的商品價(jià)值，我們團(tuán)隊(duì)一直致力于研究桃果實(shí)有機(jī)酸和可溶性糖積累的遺傳機(jī)理。

  中國(guó)人的口味偏甜，歐美國(guó)家則更喜歡酸味�；谶@種口味的差異，東西方在果樹品種的選育方面也有著不同的側(cè)重點(diǎn)。

  中國(guó)人選育的一些桃的品種多是“高糖低酸”，而西方則是“高糖高酸”或者“中糖高酸”。不同品種之間的表型差異固然與種植技術(shù)的高低、環(huán)境因素有關(guān)，但這種差異主要還是由遺傳因素決定的。為搞清影響桃果實(shí)酸度和糖含量的機(jī)制，我們開展了相關(guān)研究。

  近十年來，我們團(tuán)隊(duì)保育了200余份桃核心種質(zhì)材料，通過這些材料，再借助遺傳學(xué)方法，鑒定到控制桃果實(shí)酸度和糖含量的候選基因，明確了它們?cè)谔夜麑?shí)中影響糖和酸的含量高低的機(jī)制。

  基于這些研究結(jié)果，我們開發(fā)了一系列與糖和酸性狀顯著關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記，通過這些關(guān)鍵的位點(diǎn)信息，可以指導(dǎo)桃樹雜交后代的選擇，為優(yōu)質(zhì)桃品種的選育提供了技術(shù)保障。

  基礎(chǔ)研究的最終目的都是要服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)的育種方式逐漸被現(xiàn)代育種所取代，全基因組選擇育種、基因工程改良和基因編輯等技術(shù)也終將因其明顯的優(yōu)勢(shì)而走上時(shí)代的舞臺(tái)。

  然而，桃的遺傳轉(zhuǎn)化是世界性難題，到目前為止還沒有形成高效完善的桃穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系。

  就算是硬骨頭，我們也要把這塊骨頭給啃下來。經(jīng)過5年的努力，在嘗試了100多份不同品種的不同外植體材料后，我們終于構(gòu)建了發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的桃根系遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系，并得到了“轉(zhuǎn)基因根—野生芽”的復(fù)合型植株。

  同時(shí)，我們還成功建立了桃愈傷組織的穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系，而桃完整植株的轉(zhuǎn)化體系構(gòu)建目前也正在有序進(jìn)行中。

  我們的研究不僅在學(xué)術(shù)上取得了重要突破，對(duì)桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有深遠(yuǎn)的意義。

  基于桃風(fēng)味、色澤品質(zhì)的基礎(chǔ)研究成果，我們開發(fā)了與糖、酸含量高低緊密連鎖的分子標(biāo)記，并進(jìn)行了雜交親本的選擇，開展了分子標(biāo)記輔助選擇育種。近兩年，我們團(tuán)隊(duì)與湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作選育了4個(gè)桃新品種，累計(jì)應(yīng)用推廣面積超過2萬畝。這些新品種不僅豐富了市場(chǎng)選擇，也提高了桃產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

  在桃果實(shí)遺傳與改良的研究中，我們遇到了許多挑戰(zhàn)，也取得了許多重要的突破。未來，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)桃色澤和風(fēng)味的自由調(diào)控，為滿足消費(fèi)者的多樣化需求、大幅提升桃產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力而努力。我們將繼續(xù)深入研究，爭(zhēng)取在桃果實(shí)遺傳與改良領(lǐng)域取得更多突破，為桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量�！�

（作者系中國(guó)科學(xué)院武漢植物園研究員）