“葡萄的歷史，經歷了從雜交到自交到克隆繁殖的變化過程，仿佛是一場充滿智慧的自然實驗。”在中國農業科學院農業基因組研究所研究員周永鋒看來，葡萄的繁殖與馴化歷史蘊含了葡萄精準設計的奧秘。
黑皮諾葡萄。周永鋒供圖
近日，周永鋒團隊先后在美國《國家科學院院刊》（PNAS）《自然—通訊》（Nature Communications）上發表研究成果。該團隊不僅揭示了葡萄等克隆繁殖作物中半合子基因在遺傳、表達和表觀遺傳調控方面的特征，更發現了不同繁殖方式對葡萄基因組產生的深刻影響，為“精準設計育種”方案開辟了新路徑。
葡萄繁殖史：充滿智慧的自然實驗
在植物界中，作物的繁殖方式多種多樣，常見的有雜交、克隆和自交等，每種植物都基本會選擇1~2種方式繁殖后代。野生的葡萄是雌雄異株的，這保證了它們只能異花授粉，通過雜交的方式繁殖后代。雜交保證了葡萄群體的遺傳多樣性，即葡萄個體各有特點，絕非千篇一律。
“有趣的是，經過人類馴化后的栽培葡萄，幾乎全是雌雄同株了，它們都能夠自花授粉結實，也就是自交。”周永鋒告訴《中國科學報》，從雜交轉為自交，葡萄經歷了上萬年的馴化歷史。
而在長期的生產實踐中，葡萄基本都會通過扦插的方式進行繁殖，也就是所謂的“克隆繁殖”。通過克隆，一方面可以保證葡萄性狀的一致性，精準保留葡萄的優良性狀，另一方面則可以實現快速繁殖。
“之前有研究發現，來自中世紀的一顆葡萄種子的DNA幾乎和一個現代品種一模一樣，也就是說這個品種的葡萄通過克隆繁殖了幾百年。”周永鋒說，如今為了培育新品種，育種家又會嘗試將各種不同品種的葡萄進行雜交，從而挑選出有優良性狀的后代。
周永鋒團隊長期關注葡萄等克隆繁殖作物的遺傳馴化，在葡萄的群體遺傳學和全基因組設計育種領域取得了一系列重要進展。他們發現，葡萄等克隆繁殖作物的基因組雜合度在克隆繁殖過程中被逐步放大，導致其基因組中積累了大量的雜合有害點突變與結構變異。這些變異導致栽培葡萄有很強的自交/雜交衰退現象，很難通過傳統雜交技術選育新品種。
要想提高葡萄育種效率，就要搞清楚長期克隆繁殖對栽培葡萄究竟產生了何種影響，不同繁殖方式的組合又是如何應用到葡萄育種上的，這也成為這項研究的起點。
為葡萄育種提供“針對性方案”
黑皮諾是一種起源于法國的重要葡萄品種，其釀造的葡萄酒有著豐富的果香，口感絲滑細膩，有獨特的風味層次。黑皮諾因此成為很多主要葡萄酒產區的主栽品種。如今很多受歡迎的品種，如霞多麗、佳美等，都是黑皮諾和其他品種的雜交后代。
“在自交繁殖的過程中，許多基因可能會丟失。”論文第一作者、基因組所副研究員肖華表示，為研究繁殖系統對基因組的影響，研究人員對雜合黑皮諾的兩個單倍型基因組PN1、PN2和其后代自交品種PN40024的基因組進行了比較基因組學分析。
結果顯示，黑皮諾基因組雜合度為1.43%，顯著高于自交品種PN40024基因組的0.18%。三個基因組在序列水平（包括基因含量）上差異很大，如PN1、PN2及兩者組合分別有2869、2864和3026個特有基因家族，而自交品種PN40024基因組相對特有的基因家族數量較少（581）。
“PN40024已然經歷了9代自交，很多基因家族在這個過程中不斷丟失，就如同玉米基因組的大小在自交繁殖中快速減小類似。這兩種情況是極其類似的。”肖華如是說。
更進一步，團隊分析了黑皮諾克隆個體間的遺傳變異，會持續積累體細胞變異。
“植物的繁殖方式不同，會影響基因重新組合的效率，還和清除或保留那些不好的基因負擔有關。”論文共同第一作者劉文文告訴《中國科學報》，繁殖方式的差異帶來肉眼可見的區別。對于那些普遍存在的變異，克隆繁殖的葡萄比雜交繁殖的葡萄基因負擔要高很多；自交繁殖的葡萄，隱性基因負擔最高，雜合基因負擔最低。而有個體差異的變異而言，雜交葡萄的基因負擔更高。
在劉文文看來，“只有了解其背后的機制，我們才能發揮其優勢、克服其劣勢。”
聚合優點的“超級葡萄”
值得一提的是，PN40024作為自交九代的個體，從理論上講理當完全純和，但研究者依舊觀察到了很多變異位點處于雜合狀態，并且這些雜合變異聚集在一起。
“這個現象非常有意思。”周永鋒說，栽培葡萄都是自花授粉結出種子，但大多有很強的自交衰退現象，意即種子種出來的苗一般都長得非常差。自交一代尚且如此，自交多代的苗則更難得到。因此，這歷經多代自交仍有留存的、保持4.3%雜合狀態的基因組區域，或許就是引起葡萄自交的衰退原因之一。
“如果葡萄始終維持這種雜合態，它很可能影響我們獲取不同優良性狀組合的個體，從而影響育種。”肖華表示，通過研究可以發現，這些雜合區域的存在與染色體上互斥相的大效應有害變異有關，這種有害變異分別位于一對染色體的兩條染色體上。找到并移除這些變異或許可以解決這些問題。
當這些“無法被自交清除”的雜合區域被精準定位，有望成為解決葡萄自交/雜交衰退的終極密碼。
此外，他們還發現，在自交繁殖作物中，半合子基因的比例極低，僅為0.01%-1.2%；在異交繁殖作物中則平均為8.7%；而在克隆繁殖作物中，半合子基因的比例顯著升高至13.8%，這主要歸因于雜合結構變異在克隆繁殖過程逐步累積。
通常情況下，一對染色體上有兩個等位基因。而所謂“半合子基因”，則指向基因突變導致的一個等位基因缺失，使得個體在該基因位點上只留一個功能性等位基因的情況。
“研究發現，半合子基因的表達水平只有正常基因的20%”。論文第一作者彭艷玲表示，剩下的那部分基因并沒有更努力地補償缺失基因的功效。盡管如此，但半合子基因在果實發育、器官分化和環境脅迫響應等特定生物學過程中表現出更高的特異性表達，說明其可能在植物適應復雜環境、調控重要農藝性狀上發揮重要作用。
周永鋒團隊通過反復比較不同繁殖體系之間的差異，嘗試從各個角度解析彼此之間的異同，不僅為后續葡萄育種工作提供了極具價值的新思路與理論依據，更為聚合葡萄各種優點的“超級葡萄”的出現，打造了一條“黃金路線”。
相關論文信息：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2422487122
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56817-7
