蘋果優(yōu)質(zhì)高效育種技術(shù)創(chuàng)建及應(yīng)用*

魏景利，王 楠，張宗營(yíng)，毛志泉，陳學(xué)森

（1 冠縣林業(yè)局，山東 252500）

（2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，國(guó)家蘋果工程技術(shù)研究中心，作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

品種是農(nóng)業(yè)的“芯片”。突破性品種培育的關(guān)鍵在于優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制和育種技術(shù)創(chuàng)新，而優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制和育種技術(shù)創(chuàng)新關(guān)鍵在于遺傳基礎(chǔ)理論突破。因此，理論創(chuàng)新對(duì)于推動(dòng)種業(yè)振興具有重要作用。在國(guó)家關(guān)于“堅(jiān)持憑能力、實(shí)績(jī)、貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)人才，克服唯學(xué)歷、唯資歷、唯論文等傾向”的人才評(píng)價(jià)機(jī)制改革及鄉(xiāng)村振興的大背景下，農(nóng)業(yè)高校專業(yè)課教師或具有人才培養(yǎng)職能的科研院所科技工作者，要實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)三位一體和同步提升，必須堅(jiān)持“理論與技術(shù)創(chuàng)新并重”的科研思路?，F(xiàn)將蘋果資源育種理論與技術(shù)創(chuàng)新及新品種培育的研究案例解讀如下，以供參考[1]。

我國(guó)蘋果面積、產(chǎn)量均占世界的50%以上，年產(chǎn)值超過(guò)2 000 億元，是鄉(xiāng)村振興、增加農(nóng)民收入的支柱產(chǎn)業(yè)。針對(duì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)品種缺乏和育種周期長(zhǎng)等瓶頸問(wèn)題，我們科研團(tuán)隊(duì)以高類黃酮為主線，以新疆紅肉蘋果和紅富士評(píng)價(jià)挖掘與創(chuàng)新利用為研究重點(diǎn)，在蘋果資源與育種理論創(chuàng)新、紅肉蘋果優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制、高效育種技術(shù)創(chuàng)建、特色多樣化新品種培育及其配套高效栽培與加工技術(shù)創(chuàng)新等核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，取得了重要?jiǎng)?chuàng)新成果，獲2020 年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)[2]。

1 紅肉蘋果育種理論與技術(shù)創(chuàng)新及新品種突破

1.1 紅肉蘋果育種理論與技術(shù)創(chuàng)新及其發(fā)明專利

1.1.1 優(yōu)質(zhì)品種親本溯源分析及果樹多種源品質(zhì)育種法

對(duì)國(guó)內(nèi)外育成的蘋果和梨等果樹優(yōu)質(zhì)品種進(jìn)行親本溯源分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜的遺傳背景和目標(biāo)性狀多樣性是品質(zhì)育種親本選擇的關(guān)鍵。為此，我們發(fā)明了以新疆紅肉蘋果、紅富士和高類黃酮優(yōu)異種質(zhì)CSR6R6 等為關(guān)鍵雜交親本的“果樹多種源品質(zhì)育種法”，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)品質(zhì)性狀（基因）的有效聚合及超親遺傳[3]。

1.1.2 蘋果高類黃酮形成機(jī)理與高類黃酮蘋果優(yōu)異種質(zhì)

研究了蘋果高類黃酮形成的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)蘋果MYB12 能夠與bHLH3/33 互作調(diào)控黃烷醇的合成，而MYB22 能夠直接與FLS啟動(dòng)子結(jié)合促進(jìn)黃酮醇合成。在此基礎(chǔ)上，提出了全紅肉表型、分子標(biāo)記及基因表達(dá)量檢測(cè)三結(jié)合的高效篩選方法，創(chuàng)制出高類黃酮蘋果優(yōu)異種質(zhì)CSR6R6，葉、花、果、肉均為深紅色，類黃酮含量為2.51 mg/g，抗氧化能力是白肉蘋果品種的7 倍；平均單果重204 g，肉質(zhì)細(xì)脆，果實(shí)發(fā)育期120 d，為紅肉蘋果育種提供了關(guān)鍵親本[4-6]。

1.1.3 基因表達(dá)特性分析與易著色蘋果品種培育法

明確了新疆野蘋果是世界栽培蘋果的祖先種及新疆紅肉蘋果轉(zhuǎn)錄因子MsMYB10 基因的組成性表達(dá)特性，發(fā)明了“一種易著色蘋果品種培育法”，培育的蘋果新品種（系）果面光潔光亮，易著色，可免套袋。同時(shí)創(chuàng)建了行間生草免套袋輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)，為我國(guó)蘋果免套袋栽培技術(shù)體系創(chuàng)建提供了技術(shù)支撐[7-9]。

1.1.4 雜種后代遺傳變異特點(diǎn)與“三選兩早一促的蘋果育種法”

構(gòu)建了新疆紅肉蘋果與紅富士等蘋果品種雜種分離群體，明確了雜種后代品質(zhì)性狀遺傳變異特點(diǎn)，發(fā)明了“三選兩早一促的蘋果育種法”，即選新疆紅肉蘋果與紅富士蘋果雜交（一選），雜交種子在溫室內(nèi)早播種育苗（一早），初果期從F1群體篩選紅脆肉株系早雜交（二選二早），選留紅色葉片的雜交二代實(shí)生苗定植于選種圃（三選），前促后控縮童期促結(jié)果（一促），就是在實(shí)生苗的童期采取農(nóng)業(yè)措施，加速實(shí)生苗的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，使實(shí)生苗盡快達(dá)到一定的高度（節(jié)位）；當(dāng)實(shí)生苗達(dá)到一定的高度（節(jié)位）后，采用樹干環(huán)剝等措施，控制實(shí)生苗的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)開花結(jié)果。利用該方法從雜交二代分離群體中選育出美紅等高類黃酮蘋果新品種，育種年限由傳統(tǒng)方法的20 年縮短至15 年[10]。

為保障育種計(jì)劃及相關(guān)技術(shù)的順利實(shí)施，課題組組建了3 個(gè)基地及其30 余人組成的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并明確了任務(wù)分工：泰安橫嶺育種基地及研究生團(tuán)隊(duì)，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)紅富士等蘋果品種與新疆紅肉蘋果雜交一代分離群體的定植與管理，雜交一代分離群體中的紅肉脆肉株系花粉采集及在泰安溫室或組培室進(jìn)行雜種實(shí)生苗培育；山東煙臺(tái)牟平基地及團(tuán)隊(duì)，主要任務(wù)是采用課題組前期研發(fā)的“連被去雄法”進(jìn)行雜交授粉及雜交果實(shí)的采集；冠縣育種基地及其團(tuán)隊(duì)，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)新疆紅肉蘋果雜交二代實(shí)生苗的定植與管理、高類黃酮（紅肉）蘋果新品系的選育、品種（系）比較試驗(yàn)及區(qū)域栽培試驗(yàn)。

1.2 紅肉蘋果新品種的培育

利用紅肉蘋果育種技術(shù)發(fā)明專利群及雜交二代分離群體，育成了易著色免套袋、酥脆多汁、酸甜可口的幸紅、福紅、美紅、滿紅等紅肉蘋果新品種，填補(bǔ)了我國(guó)紅肉蘋果品種的空白，克服了鮮食紅肉蘋果紅色之愛普遍存在的酸澀問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了新疆野蘋果資源的利用保存[11-14]。

2 蘋果紅色芽變（紅皮）機(jī)理與育種技術(shù)創(chuàng)新及新品種培育

2.1 芽變選種推動(dòng)了世界蘋果產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展

雜交育種主要是通過(guò)親本的選配，利用其基因組的基因分離、組合、互作和修飾獲得雜種優(yōu)勢(shì)，培育全部性狀都得到改良的新品種；而芽變選種是體細(xì)胞突變，也是“優(yōu)中選優(yōu)”，主要是利用芽變的重演性特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)中的主栽品種個(gè)別性狀進(jìn)行持續(xù)改良。美國(guó)于1880 年從自然雜交的偶然實(shí)生苗中選育出元帥，經(jīng)過(guò)持續(xù)5 代的芽變選種，先后選育出紅色及紅色短枝芽變品種123 個(gè)，形成了龐大的元帥系芽變品種群，使元帥的外觀品質(zhì)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及結(jié)果性能得到顯著提升，解決了元帥蘋果著色差和極性強(qiáng)、成花難的問(wèn)題，成為美國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的主栽品種，并創(chuàng)建了世界著名的“蛇果”品牌，有力推動(dòng)了美國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展。針對(duì)從日本引進(jìn)的長(zhǎng)富2 號(hào)等紅富士品種著色差的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)持續(xù)5 代的芽變選種，我國(guó)先后選育出紅色及紅色短枝芽變品種20 余個(gè)，形成了龐大的富士系芽變品種群，使長(zhǎng)富2 號(hào)果實(shí)的著色、風(fēng)味品質(zhì)及生長(zhǎng)結(jié)果習(xí)性等性狀得到了有效改良，“好看、好吃、好賣、好管”，實(shí)現(xiàn)了國(guó)外品種的本土化，極大地推動(dòng)了我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)高速發(fā)展[15-16]。

2.2 蘋果紅色芽變機(jī)理和育種技術(shù)創(chuàng)新及新品種選育

進(jìn)一步以長(zhǎng)富2 號(hào)（第2 代）、煙富3 號(hào)（第3代）和煙富8 號(hào)為試材研究發(fā)現(xiàn)，MYB1 啟動(dòng)子甲基化水平與果皮花青苷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，揭示了蘋果紅色芽變DNA 甲基化差異及花青苷合成的分子機(jī)制，蘋果AGO4s 識(shí)別MYB1 啟動(dòng)子的ATATCAGA 序列并招募DRM2s 對(duì)MYB1 啟動(dòng)子進(jìn)行CHH甲基化修飾，MYB1 進(jìn)而調(diào)控花青苷結(jié)構(gòu)基因及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GSTF6，影響花青苷的合成。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了基于MYB1 啟動(dòng)子甲基化水平檢測(cè)的蘋果精準(zhǔn)芽變選種技術(shù)[17-20]。

利用該技術(shù)對(duì)果農(nóng)和基層技術(shù)干部采用“一把尺子，一桿秤，用牙咬，用眼瞪”常規(guī)方法在蘋果園里發(fā)現(xiàn)的蘋果紅色變異進(jìn)行了分子鑒定，其中有2 個(gè)紅色變異被確認(rèn)為紅色芽變。因此，不經(jīng)過(guò)初選程序，2 個(gè)紅色變異直接參加了品種比較試驗(yàn)和區(qū)域栽培試驗(yàn)等復(fù)選程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅色變異的早期、快速、準(zhǔn)確鑒定，并最終選育出龍富和元富紅等蘋果芽變新品種，育種年限縮短了2～3 年。其中，龍富易成花，果實(shí)易著色，品質(zhì)優(yōu)；元富紅果實(shí)寶石紅色，全紅果比率在98%以上，品質(zhì)優(yōu)。這2 個(gè)品種均已在我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)廣泛種植，解決了我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)主栽品種著色差的問(wèn)題。

由于紅色短枝芽變品種屬于DNA 甲基化引起的表觀遺傳，長(zhǎng)富2 號(hào)等品種的晚熟和耐貯性狀始終沒有改變，從而構(gòu)建了以優(yōu)質(zhì)、耐貯、晚熟富士系芽變品種群為主的中國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)品種結(jié)構(gòu)，是保障14 億中國(guó)人新鮮蘋果周年供應(yīng)最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)途徑。因此，在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間，紅富士芽變品種群占我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)半壁江山的格局不會(huì)改變[21-22]。

3 蘋果育種技術(shù)拓展應(yīng)用及山農(nóng)酥梨新品種培育

發(fā)現(xiàn)新疆庫(kù)爾勒香梨優(yōu)質(zhì)、耐貯特性的遺傳能力強(qiáng)，以遺傳背景復(fù)雜的品種作為雜交母本，容易獲得較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)。因此，利用“果樹多種源品質(zhì)育種法（ZL201510428448.8）”等蘋果育種技術(shù)，以遺傳背景復(fù)雜、含有新疆庫(kù)爾勒香梨血緣的新梨7 號(hào)為母本，以碭山酥梨為父本，育成了中國(guó)第1個(gè)優(yōu)質(zhì)、耐貯、極晚熟、抗氧化梨新品種山農(nóng)酥，平均單果重460 g，果心小，果個(gè)大；質(zhì)地細(xì)密、酥脆，可溶性固形物含量14.8%，品質(zhì)優(yōu)；常溫下存放2 個(gè)月，仍保持酥脆品質(zhì)，耐貯藏；果實(shí)發(fā)育期180 d 左右，極晚熟；切開后72 h 不褐變，抗氧化（維生素C 含量高），已經(jīng)成為更新?lián)Q代品種，解決了碭山酥梨等主栽品種“晚熟而不優(yōu)質(zhì)”的問(wèn)題，受到市場(chǎng)和消費(fèi)者的普遍歡迎，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，在山東聊城、菏澤、濟(jì)南、泰安及江蘇、河北和安徽等地推廣3 333 余hm2，成為魯西一帶主栽品種，推動(dòng)了中國(guó)梨產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展（圖1）[23-24]。

圖1 美紅蘋果和山農(nóng)酥梨親本圖譜

山農(nóng)酥梨選育這一案例說(shuō)明，“果樹多種源品質(zhì)育種法”等蘋果育種技術(shù)在果樹中具有普適性。