《从基因组到超市货架:破解中国樱桃》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2024-09-04
  •     随着四倍体中国樱桃基因组的成功解码,园艺基因组学达到了一个重要的里程碑。这项研究为影响果实硬度的遗传因素提供了重要的见解,果实硬度是提高樱桃市场吸引力和运输耐久性的关键性状。通过揭示假樱李的遗传复杂性,该研究为有针对性的育种策略铺平了道路,这些策略可以提高果实质量并扩大这种重要经济作物的商业潜力。

        中国樱桃(Prunus pseudocerasus)因其经济和营养价值而受到高度重视,但其柔软的果实质地对市场构成了挑战。由于该物种具有复杂的四倍体基因组和高遗传杂合性,传统的育种方法难以增强该性状。由于果实硬度是一个关键的品质因素,了解其遗传基础已成为育种者的优先事项。这些挑战凸显了对中国樱桃果实硬度的遗传机制进行深入研究的必要性。上海交通大学的一个研究小组成功地组装了中国樱桃品种“诸暨短柄”的第一个染色体水平、单倍型解析基因组,并于2024年7月8日发表在《园艺研究》杂志上(DOI: 10.1093/hr/uhae142)。

        利用先进的测序技术,如PacBio HiFi、Oxford Nanopore和Hi-C,该研究解码了这种四倍体物种的高度杂合基因组。这些发现对果实硬度的遗传决定因素提供了重要的见解,为旨在改善中国樱桃商业性状的育种计划提供了宝贵的资源。该研究解决了中国樱桃基因组四倍体特性带来的挑战,通过使用最先进的测序技术实现了高质量的基因组组装。通过比较肉质柔软的“诸暨短柄”和肉质坚硬的“黑珍珠”甜樱桃,该研究强调了果胶、纤维素和半纤维素在决定果实质地方面的关键作用。“诸暨短柄”的柔软质地与成熟过程中细胞壁的加速降解有关,特别是在果胶基质中。两个基因GalAK-like和Stv1被确定为这一过程的关键调控因子,在两个品种之间表现出显著的表达差异。这些基因参与果胶的生物合成和修饰,是未来遗传改良的有希望的目标。该研究加深了我们对中国樱桃果实硬度分子机制的理解,为提高这一重要性状的选择性育种提供了基础。

        首席研究员Caixi Zhang博士强调了这一基因组成就的重要性:“中国樱桃单倍型分解基因组的组装是园艺基因组学的重大进步。确定影响果实硬度的遗传因素使我们能够采取有针对性的育种策略,这对增加中国樱桃的商业吸引力至关重要。这项研究不仅丰富了我们对樱桃遗传学的知识,而且为育种者提供了一个关键的工具,旨在开发更结实、更适销对路的品种。”

        本研究结果对未来中国樱桃栽培具有重要意义。利用新发现的果实硬度遗传标记,育种者可以培育出质地增强、适合长途运输和全球分布的品种。这项研究为中国樱桃的精准育种奠定了基础,有可能提高该作物的商业价值,并确保其在国内和国际市场上的竞争力。本研究的技术和见解也可以应用于其他水果作物,有助于对坚固性和其他品质性状进行遗传改良。

  • 原文来源:http://www.ebiotrade.com/newsf/2024-8/20240822030018502.htm
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    • 编译者:黄翠
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    • 你可能常听到这样的吐槽:现在番茄种类很多,也更大更好看,但却不如过去好吃了。别着急,好消息来了:不久前,中国农业科学院农业基因组所研究人员培育出了一批番茄新品种,口味就比之前的好多了。 番茄等蔬菜瓜果为何味道变差了?中国农科院研究人员又是通过什么神奇的方法培育出了好吃的番茄品种? 西红柿味道不如以前,是因为育种过程中丢失了控制风味品质的部分基因 番茄,又称西红柿,原产于南美洲,大约明朝传入我国。它适应性广、产量高、营养丰富、风味独特,是世界范围内广泛种植的第一大蔬菜作物。据联合国粮农组织统计,2014年全球番茄产值达962.8亿美元。我国以鲜食番茄为主,更加注重风味品质。 据中国农业科学院农业基因组研究所副所长黄三文介绍,我们现在吃到的番茄都是由野生醋栗番茄驯化后的品种,野生番茄果实非常小,只有1—2克重,经过人工的长期驯化,现代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。 黄三文说,番茄味道不如以前,是由于在现代育种过程中过于注重产量、外观等指标,虽然产量大了、长得好看了,却使控制风味品质的部分基因位点丢失。研究结果表明,番茄中的13种风味物质含量在现代番茄品种中显著降低,从而改变了番茄口感。 能不能利用现代技术手段,培育出好看又好吃的西红柿?黄三文想到了基因组编辑技术。从源头做起,先找出影响番茄口味的“基因密码”。“我们的味蕾一直想找回的老口味儿就躲藏在‘基因密码’里,一旦找到决定番茄风味的相关基因,问题就会迎刃而解。”黄三文说。 2012年,黄三文带领团队参与了番茄基因组测序项目,破解了拥有9亿个碱基对的番茄全基因组图谱,其相关研究成果发表在权威学术期刊《自然》杂志上。2014年,黄三文带领的团队与国内多个从事番茄研究的团队一起揭开了番茄果实由小到大的人工驯化过程,即:野生醋栗番茄产生樱桃番茄,最终形成大果栽培番茄。同时,他们构建了番茄基因组变异图谱,发现了1200万个基因组变异的数据。2017年1月,黄三文团队终于破解了番茄风味基因密码,国际顶级学术期刊《科学》以封面文章的形式报道了这一科研成果。 “为了鉴定番茄种质中的优良基因,我们对世界范围内400份代表性的番茄种质进行了全基因组测序和多点多次的表型鉴定。利用全基因组关联分析和连锁分析,最终鉴定了影响33种风味物质的200多个主效的遗传位点。”该论文并列第一作者、中国农科院基因组研究所祝光涛博士说,研究发现,其中有2个基因控制了番茄的含糖量,5个控制了酸含量。 研究还发现,柠檬酸和苹果酸是番茄中的主要酸类物质,柠檬酸能提高西红柿风味,但苹果酸降低风味,研究人员由此找到了降低苹果酸、提高柠檬酸含量的技术路线。 从理论上说,任何风味的番茄都可以通过基因组编辑技术实现 基因组编辑技术为何如此神奇? 黄三文说,基因组是一个物种所有遗传信息的总和,新一代基因组技术被认为是驱动未来经济的颠覆性创新技术。2002年中国科学家发表的水稻基因组,推动了基因组学在农业育种上的应用。基因组编辑技术则是基因组学快速发展的直接产物。如同要编出畅销书或好新闻首先要仔细阅读原稿一样,要想更好地应用基因组编辑技术,首先要阅读基因组、读懂基因组。 黄三文介绍,基因组编辑技术是当前生命科学研究的前沿领域,利用该技术,科学家能够对目标基因进行定点敲除或插入,从而获得对人类有益的性状。其中,CRISPR/Cas9技术因其编辑效率高、操作简易等特点,成为当前生物研究炙手可热的研究工具——他们发现并改进西红柿口味就是用的这种技术。 他举例说,日常食用的番茄有红果和粉果两种,红果番茄硬度大耐储运,但口味较差;粉果番茄颜值高、风味佳,但却有不易储存的缺点。因此,传统的育种主要集中在红果番茄上,优质粉果番茄品种较少。黄三文团队利用基因组编辑技术,将控制番茄果实颜色、口味等的基因进行了编辑,仅用了10个月的时间就获得了耐储运、风味佳的粉果番茄。 “从理论上来说,未来人们想吃什么风味的番茄,都可以通过基因组编辑技术来实现。” 黄三文介绍说,他们团队与合作者已经培育出含糖量提高的西红柿新品种。下一步,将进一步提高有益挥发性物质的含量,培育出更美味的西红柿品种,力争恢复西红柿原有的风味。 通过基因组编辑技术,可以大大提高馒头或米饭中直链淀粉的比例,从而造福糖尿病人 在农作物育种领域,基因组编辑技术的作用不只是用在西红柿上。黄三文说,基因组编辑技术大大提高了作物的育种进度,通过“编辑”基因,一些小麦、水稻、玉米、马铃薯等作物新品系也相继问世。 国家“十三五”七大作物育种专项首席科学家、农业部作物基因资源与种质创制重点实验室主任张学勇研究员说,基因组编辑技术在农业领域前景广阔。“与物理或化学诱变育种相比,基因组编辑技术可以更准确、更精细地改变生物体内有机大分子的合成速度和方向,是一种精准育种技术。” 张学勇说,馒头或者米饭中存在两种淀粉,即直链淀粉和支链淀粉。其中支链淀粉很容易水解为葡萄糖,而直链淀粉降解成为葡萄糖的速度则缓慢许多。通过基因编辑技术,可以敲除或减弱支链淀粉合成的基因的活性,增加直链淀粉的比例,使直链淀粉的比例从百分之十几提高到60%—70%,这样就能有效控制糖尿病人饭后血糖迅速上升的情况,造福糖尿病人。 张学勇介绍,通过基因组编辑技术,还可以改变大豆、油菜等作物籽粒中油的成分比例,增加亚麻酸、亚油酸等优良成分的比重,利于健康和长寿。该技术还能让棉花纤维更细更长,增加优质棉比例,增加棉农收入。此外,它还能改变玉米、水稻等作物的叶片夹角,更有利于密植以达到高产的目的。“基因组编辑技术还能控制花卉的颜色,创造出一些自然界还没有的兰花、牡丹花的颜色,提高花卉品质,满足不同人群需要。” 张学勇认为,未来利用基因组编辑技术还可以根据人们的需要,改变许多农产品的风味、颜色,延长农产品的货架期,为现代农业发展注入强大的科技动力,更好地造福人类。
  • 《【科学私享】中国科学院:振荡磁场对樱桃超冷的影响》

    • 来源专题:食品安全与健康
    • 编译者:杨娇
    • 发布时间:2025-04-15
    • 中国科学院理化技术研究所研究团队在农林科学领域期刊Food Biophysics发表了题为“Effects of Oscillating Magnetic Fields of Different Level of Intensity Magnitudes on Supercooling of Cherries”的文章。 研究背景 1. 研究问题:这篇文章研究了不同强度级别的振荡磁场对樱桃超冷保存的影响。超冷技术在生物保护和食品冷链中有广泛应用,但樱桃等水果在超冷状态下容易受到外界扰动影响而结冰,因此如何有效维持超冷状态是一个挑战。 2. 研究难点:樱桃在超冷状态下不稳定,易受温度波动或机械干扰影响而结冰。此外,现有研究中使用的磁场能量密度和频率较高,导致能耗大,不利于技术推广。 3. 相关工作:已有研究表明,磁场可以影响水分子的热运动,从而提高超冷程度。然而,不同磁场强度对樱桃超冷效果的影响尚不明确,且现有研究的磁场能量密度较高。 研究方法 这篇论文提出了使用不同强度级别的振荡磁场来研究其对樱桃超冷保存的影响。具体来说, 1. 磁场设置:实验使用了频率为50 Hz的振荡磁场,磁场强度设置为0.1 mT和mT两个级别(0.6 mT和6 mT左右)。 2. 实验设计:选择形状和颜色一致的樱桃进行实验,确保样本均一性。每个实验组放置4个样品,每层两个样品对称分布在几何中心,确保磁场均匀分布。实验温度控制在-4℃,测量样品的重量损失、颜色和质地。 结果与分析 1. 冷却曲线:在磁场强度为mT级别时,所有樱桃样品成功超冷至-4℃,未出现冰晶结晶。而在0.1 mT磁场强度下,部分樱桃样品发生结冰现象,结冰概率为40%。对照组(无磁场)的所有样品均结冰。 2. 重量损失:超冷保存的样品重量损失约为1.3%,而无磁场组的重量损失为4.85%,减少了73.2%。这表明超冷保存能有效减少重量损失。因为减少重量损失不仅可以延长樱桃的保质期,还能保持其营养价值和市场价值。此外,低能耗的超冷保存技术也有助于降低生产成本,促进其在实际生产中的推广应用。 3. 颜色变化:实验组和对照组的颜色变化与新鲜组相比有显著差异,但0.1 mT组和mT组的颜色变化无显著差异。这可能是由于细胞内发生的生理反应导致的颜色变化。 4. 质地变化:无磁场组的硬度显著低于其他三组,而超冷保存组和冷冻组的粘附性无显著差异。这表明超冷保存能有效保持果实的硬度。 结论 这篇论文研究了不同强度级别的振荡磁场对樱桃超冷保存的影响,发现mT级别的磁场能更有效地维持樱桃的超冷状态,减少重量损失并保持果实硬度。研究结果为未来确定不同水果的最低磁场能量密度提供了参考,有助于降低该技术的能耗。