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王勇健等

葡萄是世界上僅次于柑橘的第二大果樹作物，而我國則以葡萄產(chǎn)量全球第一、種植面積全球第二的規(guī)模穩(wěn)居產(chǎn)業(yè)龍頭。然而，在氣候變化引發(fā)的極端天氣沖擊下，傳統(tǒng)的葡萄品種糖酸平衡受到破壞，品質(zhì)隨之下降，“顏值”與“風(fēng)味”面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，我們亟需培育具有環(huán)境韌性的高抗優(yōu)質(zhì)新品種。

為了達(dá)成這一目標(biāo)，科學(xué)家們一直在努力尋找育種的“加速器”。近期，國家植物園南園葡萄與葡萄酒科學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)合基因芯片技術(shù)和 AI 表型組平臺(tái)的新方法，能夠快速定位控制葡萄性狀的關(guān)鍵基因，精準(zhǔn)評估性狀信息，以加速抗逆性強(qiáng)、風(fēng)味更佳的葡萄品種的培育過程。

高密度基因芯片——

葡萄的“基因身份證”

此前，通過人工雜交育種的方法選育新品種不僅耗時(shí)長，而且效率低。這主要是因?yàn)?，一方面在傳統(tǒng)育種過程中需要通過播種種子的方法得到新的葡萄藤，從播種到結(jié)果需要 3~5 年的時(shí)間（童期）；另一方面，葡萄品種的基因組也具有較高的雜合度，雜交獲得后代表現(xiàn)很難預(yù)測，通常需要萬里挑一才能獲得一個(gè)優(yōu)異的品種。

因此在作物遺傳改良研究中，科學(xué)家們一直希望能像“查字典”一樣快速定位控制重要性狀的基因。隨著技術(shù)發(fā)展，基因芯片應(yīng)運(yùn)而生，它能夠利用已知序列的 DNA 片段定位目標(biāo)基因，并利用片段中的探針檢測出哪個(gè)堿基發(fā)生了變異，進(jìn)而在“字典”中對該變異進(jìn)行篩選。國際上葡萄基因芯片探針數(shù)一般為幾千到幾萬不等。

在普通基因芯片基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了高密度基因芯片。該芯片借助 313 份葡萄基因組數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)而成，能夠覆蓋葡萄全部的 19 條染色體，其標(biāo)記密度達(dá)到每 2.8 千堿基一個(gè)位點(diǎn)，即在葡萄基因組上，平均每隔 2800 個(gè)堿基就設(shè)置了一個(gè)遺傳標(biāo)記檢測點(diǎn)，比現(xiàn)有國際芯片的標(biāo)記密度高出 10 倍。

高密度基因芯片就像一臺(tái)高效的“基因雷達(dá)”，它可以掃描整個(gè)葡萄基因組，幫助我們精準(zhǔn)定位重要性狀的基因。

葡萄基因芯片 圖片來源：作者拍攝

AI 表型組平臺(tái)——

葡萄的“智能體檢儀”

除了“基因雷達(dá)”，研究人員還搭建了配套的葡萄“智能體檢儀”——AI 表型組平臺(tái)。它利用圖像識別技術(shù)，能在 1~2 秒內(nèi)掃描一顆葡萄的 124 項(xiàng)特征，比如大小、形狀和顏色，并智能分辨葡萄位置、朝向，并迅速從高度多樣化的育種群體中海選出最優(yōu)秀的潛力品種，徹底改變了過去靠人工測量效率低、誤差大的局面。

此外，這個(gè)平臺(tái)還能用降維算法進(jìn)行“性狀翻譯簡化”——把復(fù)雜的顏色深淺、果形變化等性狀表現(xiàn)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)字指標(biāo)，讓不同品種之間的比較更加科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)。未來，這套系統(tǒng)還將配備高光譜、熱紅外等先進(jìn)傳感器，可以捕捉更多隱藏的性狀信息，讓葡萄的“健康報(bào)告”更加全面詳細(xì)。

葡萄表型組平臺(tái)  動(dòng)圖來源：作者制作

成果應(yīng)用：

從“靠天吃飯”到“科學(xué)定制”

研究人員通過運(yùn)用這個(gè)新型育種利器，發(fā)現(xiàn)了名為 VaNAC08 的關(guān)鍵抗寒基因，它如同葡萄中的“抗凍開關(guān)”，通過激活下游基因 VaRFS6，促進(jìn)葡萄細(xì)胞內(nèi)棉子糖（一種天然防凍劑）的積累。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)這個(gè)基因過表達(dá)時(shí)，葡萄細(xì)胞在低溫下的存活率顯著提高，并減少了電解質(zhì)泄漏。這意味著未來品種可普遍不再需要傳統(tǒng)的埋土防寒措施，既節(jié)省勞動(dòng)力又有利于土壤保護(hù)。

冬天不需要埋土越冬的葡萄 圖片來源：作者拍攝

隨著分子設(shè)計(jì)育種逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新常態(tài)，這種融合基因芯片與 AI 表型組技術(shù)的“精準(zhǔn) 高效”模式，正在以前所未有的速度培育出更優(yōu)質(zhì)、更抗逆的作物新品種。葡萄育種不僅效率實(shí)現(xiàn)飛躍，其風(fēng)味、抗寒性等關(guān)鍵性狀也得以精準(zhǔn)優(yōu)化，為產(chǎn)業(yè)注入了新的活力。

整合高密度芯片與高通量表型實(shí)現(xiàn)對葡萄關(guān)鍵農(nóng)藝性狀的遺傳結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)解析 圖片來源：作者制作

更重要的是，這類模式的應(yīng)用可以廣泛推廣到草莓、蘋果、柑橘等其它果樹的育種中，幫助培育在干旱、鹽堿、貧瘠等不利環(huán)境中依然健康生長的新品種。這為開發(fā)利用邊際土地提供了可能，讓原本難以耕種的土地也能煥發(fā)生機(jī)，拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新空間。

利用該項(xiàng)成果，有望通過精準(zhǔn)定制作物的抗逆性狀，讓每一寸土地都發(fā)揮價(jià)值，讓每一棵果樹都承載希望，推動(dòng)農(nóng)業(yè)逐步從“靠天吃飯”邁向“科學(xué)定制”，為構(gòu)建多元、可持續(xù)的食物供給體系提供堅(jiān)實(shí)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhang Y, Wang Y, Henke M, Carbonell‐Bejerano P, Wang Z, Bert P, Wang Y, Li H, Kong J, Fan P, Dai Z, Liang Z, 2025. Integrating dense genotyping with high‐throughput phenotyping empowers the genetic dissection of berry quality and resilience traits in grapevine. Advanced Science, 2412587.