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Nature Communications | 中国农科院农业基因组研究所周永锋团队揭示葡萄育种奥秘：繁殖方式如何塑造基因密码

花匠小妙招
2025-06-04 00:52

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葡萄的栽培史是一部充满智慧的自然实验，从野生葡萄到栽培品种，葡萄的驯化历史已有上万年，涉及到复杂的繁育体系转换，包括杂交、克隆和杂交。这些繁殖方式对葡萄基因组产生了哪些影响呢？又是如何塑造葡萄的基因密码与育种进程的呢？

北京时间2025 年3 月3日，中国农业科学院农业基因组研究所周永锋团队在国际权威期刊《自然通讯（Nature Communications ）》上发表了题为“ Impacts of reproductive systems on grapevine genome and breeding” 的研究论文。该研究以全球广泛种植的酿酒葡萄品种黑皮诺（Pinot Noir ）及其家系品种为研究对象，首次发现了不同繁育方式对葡萄基因组和育种的深远影响，为葡萄等克隆作物基因组设计育种提供了全新视角。

研究发现，杂交、自交（自花授粉）和克隆繁殖会以截然不同的方式改写葡萄的基因组：自交会大幅降低基因多样性，像“精准剪刀”一样剪除有害突变，但可能导致品种丢失大量重要基因；克隆繁殖则像“基因复印机”，能保留优秀性状却会积累隐藏的有害变异，增加基因组杂合度。值得注意的是，历经九代自交的葡萄样品，仍有4.3%的基因组区域保持杂合状态，这与该区域上一些位于互斥相的高度有害的隐性变异相关，这些“顽固变异”掌控着葡萄性别决定等关键育种性状。这一发现为培育多抗优质葡萄新品种提供了基因层面的“操作手册”。

葡萄有上万年的驯化历史，驯化过程中其经历了从野生葡萄的“ 雌雄异株” （需要异株授粉）到栽培葡萄的“ 雌雄同株” （可自花授粉）的转变，即从杂交繁殖方式转为自交繁殖。而在实际的葡萄种植与生产中，人们又广泛地采用克隆繁殖技术（扦插扩繁），以精准保留葡萄期望的优良性状。周永锋团队一直关注葡萄等克隆繁殖作物的遗传驯化，在葡萄的群体遗传学和全基因组设计育种领域取得了一系列重要进展。在群体遗传学方面，团队发现葡萄等无性繁殖作物的基因组杂合度在克隆繁殖过程中被逐步放大，导致其基因组中积累了大量的杂合有害变异与结构变异（PNAS ，2017 ；2023 ；2025 ），这些变异导致葡萄很强的自交衰退，与葡萄重要农艺性状的遗传调控直接相关（Nature Plants ，2018 ；2019 ；CurrentBiology 2024; Nature Genetics 2024 ），结构变异也导致克隆繁殖作物中大量半合子基因的存在，并对其遗传特性做了深入解析（ Nature Plants， 2019; PNAS， 2025）。然而长期的克隆繁殖对栽培葡萄产生了何种影响，不同繁殖方式的组合如何应用到葡萄育种上，有待进一步深入探索。为深入探寻葡萄多样化繁殖方式背后的遗传奥秘，周永锋团队以野生葡萄群体和黑皮诺葡萄家系为核心研究对象，组装了黑皮诺分型的基因组，并基于比较基因组与群体基因组分析，揭示了不同繁殖方式对葡萄基因组产生的深刻影响，为后续葡萄育种工作提供了极具价值的新思路与理论依据。

为了比较不同繁殖方式对葡萄基因组的影响，研究团队对野生葡萄和黑皮诺家系的葡萄群体进行了分析（图 2）。这些群体涉及杂交、克隆和自交过程，而繁殖系统会影响重组效率，影响遗传负荷的清除和维持。因此研究鉴定了有害变异，衡量了各个群体的隐性、杂合和加性负荷。结果显示对于各组内共享的有害点突变（ dSNP），克隆群体比杂交群体遗传负荷显著更高，而自交群体的隐性负荷最高、杂合负荷最低，杂交群体中非共享 dSNPs的遗传负荷更高，不同葡萄群体的结构变异（SV）也有类似模式（图2）。

栽培葡萄基本为克隆繁殖，其自交后代多表现出严重的自交衰退现象。而 PN40024是为数不多自交九代的品种，它也是黑皮诺的后代（图 2）。果树中第一个参考基因组也是从 PN40024测序组装获得，为果树领域的研究作出了巨大贡献。为研究自交对基因组的影响，研究人员首先对杂合黑皮诺的两个单倍型基因组 PN1、 PN2和 PN40024的完整基因组 PN40024_T2T进行了比较，结果显示三个基因组在序列水平（包括基因含量）差异很大，如 PN1、 PN2 及两者组合分别有 2869、 2864和 3026个特有基因家族，而 PN40024_T2T相对的特有的基因家族数量较少。这种现象表明： 自交可能导致许多基因家族丢失，类似其他研究发现自交玉米谱系基因组大小快速减小的过程。

PN40024作为九代自交个体，理论上应该几乎完全纯合，但研究发现其基因组仍保留一些杂合变异且成簇分布，占基因组约 4.3%的区域。这些杂合区块中 SV和 dSNPs分布模式继承自其亲本和风斯丹（ HE）（图 2），且与低重组区域重叠，存在大量大效应有害突变。这些低重组率和大效应 dSNPs的存在，可能导致基因组无法清除这些变异，而导致杂合区域的保留（图 4）。以 2号染色体上约 200kb高度杂合的性别决定区域（ SDR）为例， PN40024保持了 H2/F杂合基因型，研究人员发现 H2单倍型上存在大量高度有害变异，并定位到一个与花粉 VviVi2（图 4）。

总之，克隆繁殖会让有害基因悄悄累积，而杂交虽能提升活力却难以稳定优良特性；自交虽然降低遗传多样性，但短期的自交有助于群体“减负”。研究团队通过对比野生葡萄、现代栽培种及黑皮诺谱系发现，自交能清除60%以上的有害变异，但会牺牲基因多样性；克隆繁殖虽保留风味基因，却让每株葡萄像“基因定时炸弹”；而杂交则像“基因调色盘”，能组合不同优势。研究揭示了繁殖方式的改变对葡萄基因组的影响，并定位了那些“无法被自交清除”的杂合区域，它们可能藏着葡萄适应环境的终极密码。这项研究不仅解开了黑皮诺葡萄形成的基因之谜，更为设计“ 精准育种” 方案开辟新路径—— 未来或能通过调控繁殖策略，定向培育“ 多性状综合优势的超级葡萄” 。

作者介绍

中国农业科学院深圳农业基因组研究所、中国热带农业科学院周永锋研究员为通讯作者，基因组所肖华副研究员、刘文文博士、博士研究生史小丫、硕士王月、黄思洋为文章的共同第一作者，加州大学尔湾分校、中国热带农业科学院、中国农业科学院深圳农业基因组研究所、西北农林科技大学、山东农科院葡萄研究院、深圳大学等单位的研究人员参与了此研究。该研究获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金（海外）、国家自然科学基金面上项目和国家重点研发计划等项目的支持。