70余年來，矮化性狀掀起的谷類作物“綠色革命”為保障全球糧食安全提供了新的途徑。實際上，20世紀初，在林果類經濟作物中引入矮化性狀從而實現高密度種植，就已進入育種家的視野。然而，與谷類等草本作物不同，要實現木本及藤本作物矮化，砧木起到關鍵作用。
寬行距+小株距標準化矮化密植蘋果樹。受訪者供圖
近日，《自然—遺傳》在線發表了中國農業大學園藝學院教授韓振海團隊聯合國內外科學家完成的最新成果。他們成功挖掘了蘋果砧木致矮的關鍵遺傳密碼，揭開了蘋果矮化的神秘面紗。
這是《自然—遺傳》雜志首次發表全球果樹砧木研究領域的文章，為蘋果等木本經濟林果領域開啟矮化砧木分子設計育種、加速實現“綠色革命”奠定了理論基礎。
砧木：蘋果矮化的關鍵
我國是世界最大的蘋果生產國，產量、種植面積分別占比全球的56%、40%以上。目前，“蘋果產業健康可持續發展面臨的重大問題是如何應對務農人員減少且老齡化嚴重，宜機化、輕簡化管理是根本出路。”國家蘋果產業技術體系首席科學家、西北農林科技大學教授馬鋒旺告訴《中國科學報》。
自1910年代英國東茂林試驗站選育出M系蘋果矮化砧木，百余年來，矮化密植的推廣顯著提高了世界蘋果的生產力水平，為蘋果產業健康可持續發展提供了有效的解決方案。
論文第一作者、中國農業大學副教授李威介紹，果樹等經濟作物大多是品種（地上接穗）和砧木（地下根系）的嫁接復合體。砧、穗特性及其互作關系決定著果樹的生長發育和產量品質。果樹等經濟作物的矮化，主要是利用具有致矮作用的砧木，在其上嫁接接穗品種后導致長枝減少、短枝增多、樹體營養生長勢減弱的現象。
因此，“樹體是否矮化的關鍵在于砧木，有了矮化砧木就能致矮，使樹體變矮、變小。” 論文通訊作者韓振海說，砧木是果樹等經濟作物嫁接口以下的根系系統，發揮著固定支撐、營養和水分吸收、向根際土壤分泌有機物等作用的同時，使多年生的果樹等經濟作物的抗逆性和風土適應性更強。
矮化密植蘋果標準化示范園。王曉慶供圖
矮化性狀的引入能夠控制果樹等經濟作物的生長勢，可以最大限度地提高土地利用效率，進而增加單位面積的產量；因行距加寬而充分利用太陽光能，也明顯提升了果品品質；樹高降低，有的僅為喬化栽培樹體高度的1/2或2/3；行距加寬、株間一致的耕作栽培制度既宜于機械操作、減少人工用量，也降低了果農的勞動強度，使得果園管理更加便捷、高效。
“所以，矮化密植的栽培耕作制度，因其能夠實現經濟效益和生態效益的雙贏，是全球果樹等經濟作物生產發展的趨勢，在果樹等經濟作物生產方式轉型升級上，等同于作物的綠色革命。”中國工程院院士、南京農業大學教授張紹鈴說。
雖然主要果樹等經濟作物皆在努力選育具有矮化性狀的砧木，但因起步較晚，真正在生產上已規模化應用的是蘋果園和小部分梨園。
上世紀70年代至今，我國從國外引進了M9、M26、B系、CG系等矮化砧木，并開始了我國蘋果矮化砧木的選育工作，現已成功選育‘中砧’系、SH系和青砧系等矮化砧木新品種。“上述矮化砧木，近20年來得到廣泛應用，使得我國蘋果矮化密植栽培的比例從本世紀初的2%增加到現在的近20%。”論文共同通訊作者、中國農業大學教授王憶說。
“相較于果業發達國家80%以上的矮化密植栽培比例，還有很大差距。高效選育風土適應性強的矮化多抗砧木，對于確保我國蘋果產業健康可持續發展意義重大。”韓振海說。
資源搜集：破譯砧木奧秘的基礎
然而，傳統的蘋果砧木育種周期為20~30年。對砧木致矮機制的解析及關鍵調控基因的挖掘仍處于探索階段。目前已發表的蘋果基因組為栽培品種及少量野生近緣種，如Gala、新疆野蘋果、森林蘋果等，缺少蘋果矮化砧木基因組。因此，“破譯蘋果矮化砧木基因組，對實現蘋果砧木分子設計育種、推動蘋果種植栽培模式的現代變革具有重要價值。”韓振海說。
“蘋果在收獲指數方面取得了巨大增長，這在很大程度上歸功于無性系矮化砧木的大范圍推廣。”西北農林科技大學教授張東解釋說，20世紀初，英國東茂林試驗站研發的M和MM系列無性系砧木對該行業產生了持久影響。百余年來，全世界多個蘋果砧木培育機構育成了親緣關系各異的眾多蘋果砧木無性系品種，如美國R系和CG系、前蘇聯B系以及中國‘中砧’系、SH系和青砧系等。
論文共同第一作者、中國農科院鄭州果樹研究所研究員張恒濤告訴《中國科學報》，使用無性系砧木尤為重要，其通過組織培養、壓條、扦插等方法繁殖，不經過有性雜交，后代間具有一致的遺傳特性，能夠保證果樹的生長發育、樹形、產量和果品品質基本一致，樹相、園貌整齊，易于管理，適合現代果園的規模化生產。
其中，M9是世界上最廣泛使用的蘋果矮化砧木，西歐幾乎90%的蘋果果園都嫁接在M9上。因此，它是研究矮化砧木誘導矮化表型機制的標準砧木。“而MM106是通過以M系砧木為親本雜交培育出的半喬化砧木。對比M9和MM106的基因組可能揭示與矮化特征相關的候選遺傳變異。”韓振海說。
論文共同第一作者、中國農業大學博士生李慧告訴《中國科學報》，為了理清各砧木品系的系統發育關系及砧木與野生種、栽培種的遺傳關系背景，他們收集了世界范圍內蘋果的無性系砧木材料。
由于不同的砧木品系具有不同的致矮性、抗病性、耐寒性、耐旱性等特性，了解蘋果砧木品系間的系統發育關系和遺傳關系，既可以充分了解、利用蘋果的遺傳資源，又能夠幫助育種學家更好地理解不同砧木品系之間的遺傳背景差異和遺傳變異規律，有針對性選擇育種親本，提高砧木育種效率，為在生產上選擇合適的砧木品系和砧穗組合提供科學依據。
基于此，他們還構建了系統發育樹，并發現蘋果砧木同時接受野生種與栽培種的基因漸滲。
推動林果業綠色革命
“矮化砧木已經改變了栽培蘋果的生產方式，然而，矮化砧木誘導矮化的遺傳基礎仍然不太清楚。”韓振海說。鑒于此，團隊為矮化砧木M9、半喬化砧木MM106以及富士這一常見的蘋果栽培品種組裝了染色體水平、接近完整且單倍體分型的基因組，成功發掘到一段僅存在于M9基因組中的插入序列，并進一步揭示其可能為蘋果砧木致矮的關鍵遺傳密碼。
嫁接是園藝中廣泛使用的一種做法，通過嫁接在矮化砧木上，接穗部的表型發生相應的矮化變化，其遺傳機制仍然大部分未知。此前已有研究認為，通過維管組織在根砧和接穗之間傳輸的大分子，如mRNA等在嫁接誘導的表型變化中起著重要作用，但識別砧穗間可傳遞mRNA目前仍存在技術難關。
矮化砧木上嫁接樹結果情況。張宏供圖
為解決這一問題，該團隊在組裝栽培品種富士高質量基因組的基礎上，開發出生物信息學流程“RNAGlass”，并鑒定出在致矮關鍵時期于砧穗間傳遞的mRNA轉錄本，有力推動砧木致矮分子機制的全面解析。
李威說，砧木矮化基因和分子機制的破解，為蘋果等木本經濟林果領域開啟矮化砧木分子設計育種、加速實現“綠色革命”提供了基因源，奠定了堅實的理論基礎。今后，育種家可以在大規模的材料中迅速篩選出矮化個體，有效避免了傳統育種中繁瑣、長周期的后代篩選過程，極大地節省了時間和資源，顯著縮短育種周期、提高育種效率。
“可以預期，傳統的20~30年的蘋果砧木育種周期有望縮短到10~15年，實現快速、高效蘋果矮化砧木新品種的選育，為我國蘋果主產區提供皆有可用的矮化多抗的無性系蘋果砧木新品種。”韓振海說，矮化密植還將推動林果產業向宜機化、智能化方向發展，提高果園生產效率和管理水平。
不過，韓振海強調，鑒于蘋果分子設計育種在國際上尚處于起步階段，今后要解決的困難還不少，包括充分挖掘蘋果的抗性基因、熟化蘋果（砧木）不同品系的轉基因/基因編輯等技術體系。
與此同時，主要果樹等經濟作物均存在矮化需求，尤其是木本林果及一些樹形高大或樹勢較旺的林果種類，例如梨、桃、李子、櫻桃、柑橘、板栗、核桃等。而該研究挖掘到的蘋果矮化基因在控制植株長勢在果樹中具有一定保守性。因此，“這有望開啟木本經濟林果領域矮化砧木的高效選育，推動為林果業真正的綠色革命。”韓振海說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-024-01657-2
