棗分子育種研究進(jìn)展

朱高浦

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究所，河南 鄭州 450003；2.經(jīng)濟(jì)林種質(zhì)創(chuàng)新與利用國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003)

栗、棗、柿是我國(guó)傳統(tǒng)的三大木本糧食樹種，其中棗的全國(guó)種植面積達(dá)146.67×104hm2，年產(chǎn)量約800萬t，產(chǎn)值超1 000億元，是三大木本糧食樹種中唯一一個(gè)超過千億的產(chǎn)業(yè)[1-2]。據(jù)考證，棗在我國(guó)的歷史達(dá)七千年之久，是棗的發(fā)源地，其他各國(guó)均在不同的歷史時(shí)期由我國(guó)直接或間接引種，如今已在五大洲的30余國(guó)栽培[1-3]。隨著科研人員在棗種質(zhì)資源分子評(píng)價(jià)、全基因圖譜及遺傳連鎖圖譜繪制、產(chǎn)量品質(zhì)和抗性相關(guān)功能基因挖掘等方面取得了重要進(jìn)展，奠定了我國(guó)棗研究的世界領(lǐng)先水平，鞏固了世界第一大國(guó)的地位，引領(lǐng)了木本糧食樹種分子育種的研究方向。

1 棗種質(zhì)資源遺傳多樣性

棗在我國(guó)古代被稱為“棘”，成語“荊棘叢生”的“棘”即為野生種“酸棗”。這也是中國(guó)祖先最早食用和栽培馴化的果樹之一[3]。在長(zhǎng)達(dá)七千年的馴化過程中，由于人們?cè)诓煌瑲v史時(shí)期的需求不同，在種內(nèi)、種間都產(chǎn)生了極為豐富的遺傳變異，產(chǎn)生了近千種的棗農(nóng)家品種、地方類型、栽培品種等，極大地滿足了人類的需求，但也帶來了嚴(yán)重的同名異物和同物異名現(xiàn)象，阻礙了棗種質(zhì)資源在育種中的應(yīng)用[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用SSR（Simple sequence repeat）、SNP（Single nucleotide polymorphism）和ISSR（Inter-simple sequence repeat）等分子標(biāo)記對(duì)酸棗、棗等的遺傳多樣性和品種鑒別等進(jìn)行了研究。Xu等[5]利用24個(gè)SSR標(biāo)記對(duì)962份棗種質(zhì)資源進(jìn)行了基因型分析，在622個(gè)獨(dú)特的二倍體基因型中檢測(cè)到215個(gè)等位基因，其中有128個(gè)屬于稀有等位基因，且在整個(gè)種質(zhì)資源中出現(xiàn)的頻率很低（＜0.05）。多態(tài)性信息含量（Polymorphism information content，PIC）顯示，所有基因型的多樣性水平均較高，平均達(dá)0.56；篩選出的16個(gè)SSR引物擴(kuò)增出的位點(diǎn)表現(xiàn)出高度的多態(tài)性（PIC＞0.5），篩選的8個(gè)引物表現(xiàn)為中等多態(tài)性（0.25＜PIC＜0.5）。Chen等[6]利用24個(gè)SSR、38組三等位基因和4 642個(gè)雙等位基因SNP標(biāo)記對(duì)150份核心種質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示了150份材料具有高度的遺傳多樣性，且在群體結(jié)構(gòu)研究方面，SSR的分辨率高于SNPs。Hou等[7]采用全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）對(duì)180份棗進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了9個(gè)重要品質(zhì)性狀相關(guān)的SNP信息；采用基因分型測(cè)序法進(jìn)行基因分型，共鑒定出4 651個(gè)高質(zhì)量的SNPs，分析發(fā)現(xiàn)這150份群體可分為3個(gè)不同的類群，且連鎖不平衡在快速衰減。Shen等[8]利用篩選出的8個(gè)ISSR多態(tài)引物對(duì)北方7個(gè)地理區(qū)域的48個(gè)棗品種的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。擴(kuò)增出110條多態(tài)性條帶，可將48個(gè)品種分為2組，發(fā)現(xiàn)在某些亞群中，棗品種之間的親緣關(guān)系與地理來源有關(guān)，而與品種的用途無關(guān)，有88%的遺傳變異是在群體內(nèi)發(fā)生的。Uddin等[9]利用99個(gè)SSR標(biāo)記對(duì)酸棗屬4個(gè)種200個(gè)基因型的遺傳多樣性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它們之間存在高的遺傳變異性（83%），而遺傳指數(shù)（0.014）和基因流估計(jì)數(shù)（1.32）結(jié)果表明了在酸棗屬物種中存在頻繁的基因交流。Du等[10]采用scnDNA標(biāo)記（Single copy nuclear gene maker）對(duì)21個(gè)酸棗自然居群的328個(gè)體進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)群體間存在較高的遺傳多樣性，這與其交配系統(tǒng)和復(fù)雜的種群動(dòng)態(tài)有關(guān)，且變異大部分歸因于居群內(nèi)變異，居群間遺傳分化程度較高。

2 棗基因組

精細(xì)的全基因組圖譜已成為作物分子遺傳改良的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Liu等[11]采用Whole-genome shotgun、De novo等率先完成了鮮食棗‘冬棗’的全基因組精細(xì)圖譜。發(fā)現(xiàn)‘冬棗’基因組大小為437.65 Mb，共注釋出32 808個(gè)編碼基因，其中有23 996個(gè)基因分布到了12條染色體上；注釋出410個(gè)rRNAs、1 209個(gè)tRNAs、286個(gè)snRNAs和272個(gè)miRNAs；發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列大小為204.91 Mb，占‘冬棗’整個(gè)基因組大小的46.8%，其中主要為Gypsy類和Copia類的逆轉(zhuǎn)座子（Transposon，Tn），有99.4%以上的Tn分化率超過10%；還對(duì)15個(gè)不同組織的轉(zhuǎn)錄組和特異基因進(jìn)行了分析，為棗品種的遺傳改良和分子設(shè)計(jì)育種提供了豐富的遺傳信息。

Huang等[12]采用二代測(cè)序技術(shù)解析了干棗‘駿棗’的基因組，發(fā)現(xiàn)其基因組大小為351 Mb，并注釋出了27 443個(gè)編碼基因。結(jié)合群體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)前復(fù)雜的遺傳結(jié)構(gòu)是棗與酸棗雜交的結(jié)果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)調(diào)控果實(shí)有機(jī)酸和糖含量的關(guān)鍵基因經(jīng)歷了人類有目的的選擇。這些結(jié)果為棗基因組進(jìn)化、群體結(jié)構(gòu)和馴化提出了新的觀點(diǎn)。Wang等[13]采用流式細(xì)胞法對(duì)301個(gè)栽培種和81個(gè)野生種的基因組進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)栽培種基因組大小在300.8～640.9 Mb之間，酸棗為418.2～432.4 Mb之間。隨后，Shen等[14]采用Hi-C（High throughput chromosome conformation capture）技術(shù)重新解析了酸棗基因組，確定其大小為406.0 Mbp。Yang等[1]對(duì)之前發(fā)表的‘冬棗’基因組的12條染色體開展了端粒到端粒的無間隙組裝，重新定義了栽培種的基因組大小為393.0 Mb，由于包含了全部12條染色體的端粒序列，這比之前基因組質(zhì)量有了質(zhì)的提升。

3 棗遺傳連鎖圖譜

高質(zhì)量遺傳圖譜在作物遺傳演化分析、QTL（Quantitative trait locus）基因定位、圖位克隆等研究中具有基礎(chǔ)性作用。鹿金穎[15]以‘冬棗’ב臨猗梨棗’的72株雜交子代為作圖群體，對(duì)34個(gè)AFLP（Amplified fragment length polymorphism）標(biāo)記進(jìn)行了分析，構(gòu)建出了棗栽培種的第一張遺傳連鎖圖。隨后，申連英[16]以161株‘冬棗’ב臨猗梨棗’雜交子代為作圖材料，構(gòu)建了333個(gè)AFLP多態(tài)位點(diǎn)包括了14個(gè)連鎖群構(gòu)成的高密度遺傳連鎖圖譜。不滿足于這些遺傳連鎖圖譜精度，齊靖等[17]對(duì)申連英的遺傳連鎖圖譜進(jìn)行了完善，仍然以‘冬棗’ב臨猗梨棗’為雜交親本，以150個(gè)子代為對(duì)象，構(gòu)建出了包含388個(gè)AFLP和35個(gè)RAPD（Random Amplification Polymorphic DNA）標(biāo)記的由15個(gè)連鎖群組成的遺傳連鎖圖譜?？傮w上，受到方法和技術(shù)條件的限制，這些遺傳圖譜的可用標(biāo)記數(shù)量仍然較少、標(biāo)記分布密度較低、連鎖群上多具有較大孔隙，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

近年來，科研人員在棗遺傳連鎖圖譜構(gòu)建方面的研究轉(zhuǎn)向利用SSR及SNP高密度分子標(biāo)記。如Zhao等[18]以‘邢16’ד雄性不育2號(hào)-JMS2”的105株雜交子代為對(duì)象，利用RAD Tag（Restriction-site associated DNA sequencing）測(cè)序技術(shù)開發(fā)出了包含2 748個(gè)SNP位點(diǎn)、12條連鎖群，圖譜總長(zhǎng)913.87 cM，標(biāo)記間平均距離為0.34 cM的遺傳連鎖圖譜。該圖譜多態(tài)性位點(diǎn)較早前公布的增加近8倍，標(biāo)記間平均圖距更加精細(xì)。Zhang等[19]以‘中寧圓棗’ב冬棗’的145株雜交后代為材料，利用GBS（Genotyping by sequencing）技術(shù)構(gòu)建了一張2 540個(gè)SNP標(biāo)記位點(diǎn)，12個(gè)連鎖群組成的高密度遺傳圖譜，圖譜總長(zhǎng)度為1 456.73 cM，平均遺傳距離為0.88 cM。張振東[20]以99株‘映山紅’ב冬棗’雜交后代為作圖群體，采用RADseq技術(shù)構(gòu)建了包含4 669個(gè)標(biāo)記，12條連鎖群構(gòu)成的遺傳圖譜，其中SSR標(biāo)記46個(gè)，SNP標(biāo)記4 137個(gè)，InDel標(biāo)記486個(gè)，覆蓋基因組總長(zhǎng)度為2 643.79 cM，平均遺傳距離為0.57 cM。王中堂[21]采用SSR技術(shù)對(duì)‘冬棗’ב金絲4號(hào)’雜交F1代群體利用簡(jiǎn)化重測(cè)序技術(shù)開發(fā)了SNP標(biāo)記3 678個(gè)，以‘冬棗’基因組為本底，構(gòu)建了包含12個(gè)連鎖群的遺傳連鎖圖譜，總覆蓋遺傳距離939.23 cM，平均遺傳距離0.26 cM；以‘駿棗’基因組為本底，構(gòu)建了包含12個(gè)連鎖群的高密度遺傳連鎖圖譜，SNP標(biāo)記5 786個(gè)，總覆蓋遺傳距離2 167.511 cM，平均遺傳距離0.358 cM。Yan等[22]以‘JMS2’בJiao cheng 5’雜交后代140個(gè)體為對(duì)象，采用WGR（Whole-genome re-sequencing）技術(shù)構(gòu)建了包含12個(gè)連鎖群的高質(zhì)量遺傳圖譜，在12個(gè)連鎖群中平均分布了8 684個(gè)標(biāo)記，其中SNP標(biāo)記8 158個(gè)，InDel標(biāo)記526個(gè)，總覆蓋遺傳距離1 713.22 cM，平均標(biāo)記間隔0.2 cM，這是目前最高精度的棗高密度遺傳圖譜。

4 棗功能基因發(fā)掘

4.1 重要活性成分相關(guān)基因

4.1.1 糖代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)

棗果的風(fēng)味、色澤和營(yíng)養(yǎng)成分等品質(zhì)和商品價(jià)值主要取決于糖分的類型、百分含量及糖酸比等。眾所周知，作物果實(shí)中的糖由植物自身通過光合作用制造，再通過一系列轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝調(diào)節(jié)等程序后逐漸積累，從而導(dǎo)致果實(shí)甜味改變[23]。植物體內(nèi)糖的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要有3個(gè)：?jiǎn)翁寝D(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Monosaccharide transporters，MSTs）、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Sucrose transporters，SUTs）和甜味轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Sugars will eventually be exported transporters，SWEETs）。其中，MSTs蛋白和SUTs蛋白是最重要的2個(gè)蛋白家族[24-25]，SWEETs能以果糖、蔗糖和半乳糖的為底物參加生物反應(yīng)，還可以協(xié)助葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[26]。

在棗的栽培馴化中，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的重復(fù)頻率高于代謝基因，比如在栽培棗果實(shí)中糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因ZjSUT2、ZjSWEET1和ZjSTP13a具有更高的表達(dá)量，說明棗果中糖的轉(zhuǎn)運(yùn)比生物合成在糖積累中具有更重要的作用[23]。隨著棗基因組的公布，靳娟等[27]對(duì)棗的SWEET基因家族進(jìn)行了研究，鑒定出27個(gè)成員，其中ZjSWEET9、ZjSWEET22和ZjSWEET23可能參與棗果實(shí)中蔗糖的積累調(diào)控。張春梅[28]通過全基因組分析共鑒定得到83個(gè)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，發(fā)現(xiàn)ZjSUC2和ZjSWEE2參與了山梨醇的運(yùn)輸，促進(jìn)了果實(shí)中蔗糖積累；單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因ZjSTP12、ZjSTP16、ZjpGlcT3、SWEET15、ZjSWEET20和ZjTMT2也對(duì)果實(shí)糖分積累起到重要作用。

植物中蔗糖磷酸合酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）、蔗糖合酶（Sucrose synthase，SS）、轉(zhuǎn)化酶（Invertase，INV）和己糖激酶（Fructokinase，F(xiàn)K；Hexokinase，HK）[29-31]等與糖代謝關(guān)系密切。郭雪飛等[32]發(fā)現(xiàn)棗果實(shí)發(fā)育前期蔗糖與分解酶（AI、NI、SS-c）呈極顯著負(fù)相關(guān)，發(fā)育中后期蔗糖與合成酶（SS-s、SPS）呈顯著正相關(guān)。陳昕[33]發(fā)現(xiàn)了3個(gè)蔗糖磷酸合酶基因ZjSPS1、ZjSPS2和ZjSS2，其表達(dá)量與蔗糖含量呈正相關(guān)，并且在‘駿棗’中高于酸棗。鄧倩等[34]比較了酸棗和棗果可溶性糖相關(guān)基因的表達(dá)規(guī)律，其中ZjSS1、ZjSS2、ZjSS3、ZjSPS1和ZjSPS2在‘圓形小酸棗’蔗糖合成過程上調(diào)表達(dá)，而ZjSS2、ZjSS3、ZjSPS1和ZjSPS2在‘羅江調(diào)元棗’蔗糖合成中高表達(dá)，表明不同品種間棗蔗糖合成與代謝有不同的基因參與。隨著多組學(xué)技術(shù)在棗糖代謝研究中的應(yīng)用，相關(guān)基因逐漸被發(fā)現(xiàn)。Zhang等[35]應(yīng)用mGWAS（Metabolome Genome-Wide Association Study）技術(shù)鑒定到了可能調(diào)控蔗糖生物合成的SPS基因。Liu等[11]則認(rèn)為棗含糖量高與其糖合成和韌皮部糖卸載關(guān)鍵基因顯著擴(kuò)張及上調(diào)表達(dá)有關(guān)。

VC是酸性己糖的衍生物。棗被稱為“天然的維生素丸”是因?yàn)槊?00 g鮮棗中VC含量可達(dá)300～600 mg（獼猴桃92 mg、蘋果4 mg）[1,11]。Liu等[11]采用比較基因組、轉(zhuǎn)錄組等發(fā)現(xiàn)，棗果中維生素C合成和再生通路雙重加強(qiáng)是導(dǎo)致VC高效積累的原因。Yang等[1]從‘冬棗’中發(fā)現(xiàn)了其特有的13個(gè)單脫氫抗壞血酸還原酶（Monodehydroascorbate reductase，MDHAR）基因，認(rèn)為這些MDHAR成員不但是導(dǎo)致棗VC高效積累的關(guān)鍵因子，同時(shí)可能在抗旱、耐瘠薄、耐鹽堿等方面扮演重要角色。

4.1.2 棗可溶性酸生物合成

糖酸比是多數(shù)果樹影響品質(zhì)的主要指標(biāo)，其中酸主要來自有機(jī)酸[36]。棗野生種果實(shí)中有機(jī)酸以檸檬酸和蘋果酸為主，栽培棗以蘋果酸和奎寧酸為主，野生種總酸含量為栽培種的3～5倍[37]。在棗果實(shí)發(fā)育過程中，NADP+ME（NADP+-malic enzyme）酶活與果實(shí)中蘋果酸的含量呈負(fù)相關(guān)，可能導(dǎo)致了蘋果酸的降解[38]?；谵D(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)ZjMDH1（Malate dehydrogenase gene）和ZjMDH3基因可能影響了栽培種和野生種棗果實(shí)中蘋果酸的含量，且ZjACO1（Aconitase）和ZjACO4在栽培種棗果實(shí)中的表達(dá)量高于酸棗，這可能是導(dǎo)致栽培種果實(shí)中檸檬酸含量較低的原因[28]。鄧倩等[36]發(fā)現(xiàn)CS1（Citrate synthase）、ACO2-1和NADIDH（NAD+-isocitrate dehydrogenase）與檸檬酸代謝密切相關(guān)，其中ACO2-1、NAD-IDH1-2和NADIDH5在‘羅江調(diào)元棗’果實(shí)發(fā)育中后期比‘圓形小酸棗’有更高的表達(dá)量；FUM（Fumarase）、PEPC4（Phosphoenolpyruvate carboxylase）和MDH1（Malate dehydrogenase gene）與植物中蘋果酸代謝緊密相關(guān)，其中ZjPEPC4和ZjFUM在‘羅江調(diào)元棗’果實(shí)發(fā)育中期表達(dá)量高于‘圓形小酸棗’。最近，通過mGWAS（Metabolome genomewide association study）研究發(fā)現(xiàn)，棗中PK1和IDH的編碼基因位于馴化選擇區(qū)域，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)鋁激活蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)酶（Aluminum-activated malate transporter，ALMT）參與蘋果酸生物合成[35]。Zhang等[39]通過轉(zhuǎn)錄組分析，從酸棗（高酸）和栽培棗（低酸）品種中發(fā)現(xiàn)一個(gè)與蘋果酸合成相關(guān)的基因ALMT4，通過啟動(dòng)子序列分析發(fā)現(xiàn)了WRKY7轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控ALMT4，二者協(xié)同參與了棗果中的蘋果酸積累。

4.1.3 棗多酚類生物合成

常見的花青素、兒茶素、類黃酮等多酚已被證實(shí)在人體中具有抗氧化等多種重要的生理功能，在植物體內(nèi)具有調(diào)控植物色澤、影響抗逆性等作用，廣泛分布于植物的各個(gè)器官。李希等[40]以‘駿棗’和‘稷山板棗’為材料研究了果實(shí)成熟過程中與類黃酮代謝相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)差異分析，發(fā)現(xiàn)了F3H（Flavanone-3-hydroxylase）、F3’H（Flavonoid 3’-hydroxylase）和LAR（Leucoanthocyanidin reductase）是棗果中類黃酮生物合成途徑中的關(guān)鍵基因。

原花青素（Proanthocyanidins，PAS）是棗果實(shí)中的主要生物活性物質(zhì)之一。Wang等[41]以新疆維吾爾自治區(qū)3個(gè)棗樹品種為試驗(yàn)材料，采用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（Weighted correlation network analysis，WGCNA）技術(shù)，構(gòu)建了由1 620個(gè)與PAS和兒茶素含量高度相關(guān)的基因組成的網(wǎng)絡(luò)模型，包括了編碼9個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族的16個(gè)基因，如MYB、BZIP、NAC、SBP、MIKC、WRKY等。

葉綠素、類胡蘿卜素和黃酮類3種化合物決定了植物果實(shí)的外觀色澤。Li等[42]以栽培品種‘蜂蜜罐’和‘胎里紅’為研究對(duì)象，通過分析花青素的生理生化特性、代謝組、轉(zhuǎn)錄組、瞬時(shí)表達(dá)和遺傳轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尚未報(bào)道的花青素調(diào)控基因ZJFAS2，并鑒定出與ZJFAS2互作的ZJSHV3蛋白參與了棗花青素生物合成。

4.1.4 棗萜類生物合成

棗為藥食兩用植物，具有鎮(zhèn)靜、抗癌等功效，其中藥用成分主要是三萜類化合物[43]。棗的根、葉、果和種子中富含四環(huán)三萜和五環(huán)三萜，如白樺酸、齊墩果酸、熊果酸、齊墩果酸等[44]。

甲羥戊酸（Mevalonate pathway，MVA和甲基赤蘚糖醇4-磷酸（Methylerythritol 4-phosphate pathway，MEP）是萜類化合物在植物中的2種途徑，其中MVA是棗中萜類化合物合成的主要途徑[45-49]。棗中三萜物質(zhì)的積累和合成除受WRKY、bHLH、AP2/ERF和bZIP等轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[50]外，還受茉莉酸甲酯（Methyl jasmonate，MeJA）和水楊酸（Salicylic acid，SA）植物激素誘導(dǎo)[51-52]。Tian等[53]發(fā)現(xiàn)角鯊烯環(huán)氧化酶（Squalene epoxidase，SE）是三萜類生物合成的關(guān)鍵限速酶，AoSE1和AoSE2是三萜類化合物合成的關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)，MeJA可以通過提高AoSE1和AoSE2的表達(dá)來調(diào)控棗果中三萜類的生物合成。

Wen等[54]從棗的幼葉、一年生莖、芽、白熟期和初紅期果實(shí)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中鑒定出了ZjAACT1、ZjFPS（Phosphoribosylpyrophosphate synthetase）、ZjSQS1（Squalenesynthase）、ZjOSC1（Oxidosqualenecyclase）和ZjP450/3（CytochromeP450/3）基因的表達(dá)模式與果實(shí)發(fā)育過程中代謝產(chǎn)物的積累一致，且均為三萜合成的關(guān)鍵基因。Chen等[55]在全基因組關(guān)聯(lián)分析中鑒定出了61個(gè)ZJWRKY轉(zhuǎn)錄因子，其中19個(gè)ZJWRKY轉(zhuǎn)錄因子在棗和酸棗中表達(dá)不同。MeJA和SA誘導(dǎo)棗中三萜積累，且ZjWRKY18的表達(dá)與MeJA和SA誘導(dǎo)的三萜積累一致，說明ZjWRKY18在三萜積累中發(fā)揮了重要作用。ZjWRKY18在根中的表達(dá)量最高，其次是葉和果實(shí)，莖中的表達(dá)量最低。ZjWRKY18基因的沉默降低了棗中三萜的表達(dá)和積累。ZjWRKY18的過表達(dá)促進(jìn)了三萜的合成，上調(diào)了HMGR（Hydroxymethylglutaryl-CoA synthase）、FPS和SQS基因，表明ZjWRKY18調(diào)控了棗中三萜的合成途徑[56]。Sakna等[57]發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)基因ZjHMGR、ZjFPS、ZjSQS、ZjOSC和ZjCYP450可能參與了三萜的合成。Wen等[58]進(jìn)一步證實(shí)ZjFPS和ZjSQS的表達(dá)與三萜含量呈高度正相關(guān)。ZjFPS和ZjSQS在紅棗芽和幼葉中的表達(dá)量高于其他組織[56]。也有學(xué)者認(rèn)為MYB類轉(zhuǎn)錄因子ZjMYB39和ZjMYB4也參與了紅棗三萜的生物合成，并通過調(diào)控合成途徑相關(guān)基因的表達(dá)起關(guān)鍵作用[58]。

4.1.5 非生物脅迫相關(guān)基因

棗具有較高的生長(zhǎng)適應(yīng)性，但不適宜的立地條件是限制棗生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因子。Zhou等[59]從棗基因組中鑒定并注釋出了25個(gè)CBF/DREB轉(zhuǎn)錄因子亞族的ZjDREB基因，該基因可通過調(diào)控下游基因表達(dá)增強(qiáng)棗對(duì)非生物脅迫的耐受性。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明，ZjDREB蛋白分為5個(gè)亞群（A1～A5）。已證實(shí)‘冬棗’DREB基因家族在干旱、鹽堿、高/低溫等非生物脅迫中發(fā)揮重要作用。周鶴瑩[60]在‘冬棗’全基因組中鑒定到56個(gè)ZjWRKY家族成員、118個(gè)ZjAP2/ERF家族成員、55個(gè)ZjNAC家族成員、26個(gè)ZjbZIP家族成員和7個(gè)ZjSOD家族成員。其中ZjDREB1和ZjSOD1在應(yīng)對(duì)低溫、干旱、高鹽及高溫脅迫時(shí)表現(xiàn)出明顯上升或下降的趨勢(shì)，與棗非生物脅迫應(yīng)答有密切關(guān)系。高夢(mèng)嬌等[61]發(fā)現(xiàn)CML基因家族具有特定的響應(yīng)低溫脅迫模式，其中ZjCML13在調(diào)控‘冬棗’及其同源四倍體抗寒性差異中具有重要作用。

新型糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Sugars will eventually be exported transporter，SWEET）在植物光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)、花粉發(fā)育、脅迫反應(yīng)等過程發(fā)揮重要生理功能。Yang等[62]對(duì)‘臨沂棗’和‘北京雞蛋棗’全基因組分析，鑒定出19個(gè)ZjSWEET基因。其中ZjSWEET2和ZjSWEET8分別在棗樹的糖積累和非生物脅迫中發(fā)揮重要作用。

隨著干棗主產(chǎn)區(qū)向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，土壤鹽漬化已成為限制棗生產(chǎn)的關(guān)鍵制約條件之一。如新疆大部分棗產(chǎn)區(qū)已經(jīng)實(shí)行滴灌補(bǔ)水，而長(zhǎng)期過施化肥導(dǎo)致的次生鹽堿化已不能通過大水漫灌的方式緩解。He等[63]在不同鹽脅迫處理的酸棗幼苗中發(fā)現(xiàn)ZJWRKY6、ZJWRKY65顯著差異性表達(dá)，異位過表達(dá)可提高擬南芥在脅迫條件的抗氧化酶活性、降低丙二醛含量和維持K+/Na+穩(wěn)定態(tài)，增強(qiáng)機(jī)體耐鹽性。

裂果造成的棗產(chǎn)量損失一般在30%左右，有些品種達(dá)60%～80%[64-65]，特殊年份造成絕收，是棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。造成裂果的原因通常認(rèn)為是由于棗的果皮質(zhì)地較薄，加上果肉脆度高，致使棗果延展性差，在成熟期碰到降雨或濕度較大，水分通過皮孔和微裂痕進(jìn)入果肉引起吸脹開裂[64-69]。在分子層面，棗果開裂跟細(xì)胞壁相關(guān)基因（SBT1.7、EXPA和QRT3等）、轉(zhuǎn)錄因子（AP2/ERF-ERF、WRKY和MYB家族）、植物激素（MeJA、ABA、ACC等）有關(guān)[64]。比如，在不同的棗品種間，由于果實(shí)各個(gè)部位細(xì)胞發(fā)育程度不一致導(dǎo)致裂果部位存在差異。在‘李府貢棗’中，果肩部分最易裂開，而‘皖棗3號(hào)’全果的抗裂性均強(qiáng)，這可能與果肩果皮中擴(kuò)張蛋白EXPA類基因ZjEXPA4等的表達(dá)量高于易開裂品種有關(guān)[66]。外施ABA、IAA、GA3等植物激素可顯著降低棗裂果率，這可能是外施ABA會(huì)增加POD45等基因表達(dá)量，促進(jìn)果實(shí)抗氧化酶合成，降低了裂果；也可能是IAA增加了果肉內(nèi)葡聚糖內(nèi)切酶-1，3-β-葡萄糖苷酶表達(dá)量，及上調(diào)了激素調(diào)控有關(guān)基因SAUR32等，使得果肉果皮生長(zhǎng)均衡[67-68]。棗果實(shí)表面的蠟質(zhì)層可有效起到疏水和防止水分進(jìn)入果肉的作用，對(duì)于提高抗裂果能力具有重要意義。李娜[69]從‘臨黃1號(hào)’等棗果皮中發(fā)現(xiàn)了β-酮脂酰輔酶A合酶基因ZjKCS1和ZjKCS12可促進(jìn)轉(zhuǎn)基因煙草葉片脂肪酸含量，它們可能在棗中調(diào)控了果實(shí)表面果蠟的形成。這為通過調(diào)控棗果皮表面果蠟的形成，增加果皮延展性，提高果皮疏水性，減輕棗裂果發(fā)生提供了新的思路。

4.2 器官發(fā)育

棗是童期非常短的果樹，通常種植當(dāng)年就能進(jìn)入生殖生長(zhǎng)。植物開花涉及復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，彼此間相互獨(dú)立又協(xié)同發(fā)揮作用，可形成具有精確調(diào)控功能的花器官調(diào)控網(wǎng)，植物花器官發(fā)育很大程度受MADS-box基因家族影響[70]，部分為激素響應(yīng)類基因等[71]。Zhang等[72]對(duì)紅棗MADSbox基因家族分析發(fā)現(xiàn)，52個(gè)紅棗MADS-box基因可分為25個(gè)MIKCc型基因、3個(gè)MIKC*型基因、16個(gè)Mα基因、5個(gè)Mβ基因和3個(gè)Mγ基因。ZjMADS31屬于MADS-box基因家族的A類基因，在萼片表達(dá)量高；B類基因ZjMADS39和ZjMADS40在花瓣中表達(dá)量高，在雌蕊中表達(dá)量低；C/D型基因ZjMADS32和ZjMADS46在雌蕊和雄蕊中表達(dá)量較高；SEP亞家族的3個(gè)E型基因ZjMADS30、ZjMADS47和ZjMADS48在萼片、花瓣和雌蕊中表達(dá)量較高。還鑒定出控制棗樹結(jié)實(shí)率的花粉缺陷基因POD1[8]和2個(gè)調(diào)節(jié)開花時(shí)間的EF3同源基因[9]。SAINI等[73]發(fā)現(xiàn)PIF4的同源基因ZjPIF4可以與光周期相關(guān)蛋白ZjCO5和FT的同源基因ZjFT互作，證明棗的光周期相關(guān)基因表達(dá)量上調(diào)可使幼年期棗樹開花提前。此外，ZjPIF4、ZjFT和ZjCO5也可能是調(diào)控棗光周期和溫周期途徑的關(guān)鍵因子。

棗具有自交不親和特性，即使在成功授粉受精后，也很難獲得種子（種仁），這表明棗花粉萌發(fā)和授粉并不是導(dǎo)致棗籽粒率低的主要因素，可能是種子發(fā)育過程中的胚胎流產(chǎn)導(dǎo)致的。李登科等[74]利用不同授粉組合研究了栽培大棗籽粒發(fā)育過程中胚胎敗育現(xiàn)象，確定了‘駿棗’胚胎敗育的關(guān)鍵時(shí)期。Du等[75]進(jìn)行了miRNA測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組分析，以深入了解miRNA介導(dǎo)的胚胎流產(chǎn)調(diào)控。從13個(gè)miRNA家族中鑒定出43個(gè)已知miRNA和108個(gè)潛在的新型miRNA；96個(gè)miRNA在早期籽粒發(fā)育中差異表達(dá)，預(yù)計(jì)靶向1 142個(gè)基因。這些差異表達(dá)的miRNAs（zju-mir2916-p3_1ss8tc、zju-novel24202327-3p和zju-mir160d-p3_1ss10ga）及其對(duì)應(yīng)的靶基因（轉(zhuǎn)錄因子DELLA蛋白、TCP14、bHLH93和一個(gè)胚胎敏感基因）可能在胚胎流產(chǎn)的調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

5 展 望

植物的泛基因組擁有群體內(nèi)全部的基因或基因組序列，極大地彌補(bǔ)了單一參考基因組信息不全等局限，已成為植物基因組學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)[76]。目前已有包括水稻、玉米、棉花等超過16個(gè)植物的泛基因組[77-79]，但棗的泛基因組研究尚未見報(bào)道。此外，棗的糖、酸、活性成分等重要性狀相關(guān)的主干分子途徑基本清晰，但支路途徑尚不完全清楚，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究，以建立起完善的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前的基礎(chǔ)研究工作與生產(chǎn)實(shí)際存在脫節(jié)，棗的精準(zhǔn)育種技術(shù)體系尚未建立起來，尤其是在果實(shí)大小、產(chǎn)量、品質(zhì)、成熟期等性狀早期精準(zhǔn)鑒定方面?？赏ㄟ^GWAS技術(shù)，從廣義的棗群體DNA樣本中篩選出SNP、CNV（Copy number variation）等全基因組高密度遺傳標(biāo)記，通過建立高精度分子標(biāo)記進(jìn)行早期篩選?；蛘呒涌旖⑷蚪M選擇等精準(zhǔn)鑒定技術(shù)，這是當(dāng)前從評(píng)價(jià)和創(chuàng)制出的棗種質(zhì)中高效篩選出符合育種目標(biāo)的超級(jí)良種迫切需求的育種技術(shù)。此外，盡管我國(guó)科研工作者已建立了‘民勤小棗’‘駿棗’和‘雞心棗’等棗品種的遺傳轉(zhuǎn)化體系[80]，但總體來說效率不高、穩(wěn)定性差，需進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)，為采用基因編輯進(jìn)行棗良種遺傳改良和創(chuàng)新種質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)前，‘灰棗’‘駿棗’等制干棗在新疆主產(chǎn)區(qū)普遍面臨由于過量施肥引發(fā)次生鹽堿化脅迫，直接影響了棗的產(chǎn)量、品質(zhì)和商品價(jià)值。此外，‘灰棗’的平均單果質(zhì)量?jī)H12.3 g，果個(gè)較小，而‘駿棗’雖然果個(gè)大（平均單果質(zhì)量22.9 g），但果肉不飽滿，因此，需加強(qiáng)大果‘灰棗’和高抗鹽堿、高出仁率砧木良種的培育。而鮮食棗在北方地區(qū)的主栽品種‘冬棗’盡管品質(zhì)優(yōu)良，但平均單果質(zhì)量?jī)H18.9 g，果個(gè)較小、裂果率較高（30%）、管理成本高（噴施激素促花、多次開甲等）、適應(yīng)性差（鹽堿地生長(zhǎng)不良、鮮棗喜肥沃土壤、病蟲危害重需多次施藥）等缺點(diǎn)較為明顯?？梢酝ㄟ^基因工程、有性雜交、嫁接雜交[81]等技術(shù)，將滇刺棗Z.mauritianaLam.、“梨棗”等具有的大果、抗裂果、抗逆等基因定向引入到主栽品種中，從而培育出下一代超級(jí)良種，支撐棗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

致謝：感謝中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究所特色鮮果團(tuán)隊(duì)和河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院張樹林教授團(tuán)隊(duì)在論文寫作過程中給予的大力支持。