“葡萄的历史，经历了从杂交到自交到克隆繁殖的变化过程，仿佛是一场充满智慧的自然实验。”在中国农业科学院农业基因组研究所研究员周永锋看来，葡萄的繁殖与驯化历史蕴含了葡萄精准设计的奥秘。
黑皮诺葡萄。周永锋供图
近日，周永锋团队先后在美国《国家科学院院刊》（PNAS）《自然—通讯》（Nature Communications）上发表研究成果。该团队不仅揭示了葡萄等克隆繁殖作物中半合子基因在遗传、表达和表观遗传调控方面的特征，更发现了不同繁殖方式对葡萄基因组产生的深刻影响，为“精准设计育种”方案开辟了新路径。
葡萄繁殖史：充满智慧的自然实验
在植物界中，作物的繁殖方式多种多样，常见的有杂交、克隆和自交等，每种植物都基本会选择1~2种方式繁殖后代。野生的葡萄是雌雄异株的，这保证了它们只能异花授粉，通过杂交的方式繁殖后代。杂交保证了葡萄群体的遗传多样性，即葡萄个体各有特点，绝非千篇一律。
“有趣的是，经过人类驯化后的栽培葡萄，几乎全是雌雄同株了，它们都能够自花授粉结实，也就是自交。”周永锋告诉《中国科学报》，从杂交转为自交，葡萄经历了上万年的驯化历史。
而在长期的生产实践中，葡萄基本都会通过扦插的方式进行繁殖，也就是所谓的“克隆繁殖”。通过克隆，一方面可以保证葡萄性状的一致性，精准保留葡萄的优良性状，另一方面则可以实现快速繁殖。
“之前有研究发现，来自中世纪的一颗葡萄种子的DNA几乎和一个现代品种一模一样，也就是说这个品种的葡萄通过克隆繁殖了几百年。”周永锋说，如今为了培育新品种，育种家又会尝试将各种不同品种的葡萄进行杂交，从而挑选出有优良性状的后代。
周永锋团队长期关注葡萄等克隆繁殖作物的遗传驯化，在葡萄的群体遗传学和全基因组设计育种领域取得了一系列重要进展。他们发现，葡萄等克隆繁殖作物的基因组杂合度在克隆繁殖过程中被逐步放大，导致其基因组中积累了大量的杂合有害点突变与结构变异。这些变异导致栽培葡萄有很强的自交/杂交衰退现象，很难通过传统杂交技术选育新品种。
要想提高葡萄育种效率，就要搞清楚长期克隆繁殖对栽培葡萄究竟产生了何种影响，不同繁殖方式的组合又是如何应用到葡萄育种上的，这也成为这项研究的起点。
为葡萄育种提供“针对性方案”
黑皮诺是一种起源于法国的重要葡萄品种，其酿造的葡萄酒有着丰富的果香，口感丝滑细腻，有独特的风味层次。黑皮诺因此成为很多主要葡萄酒产区的主栽品种。如今很多受欢迎的品种，如霞多丽、佳美等，都是黑皮诺和其他品种的杂交后代。
“在自交繁殖的过程中，许多基因可能会丢失。”论文第一作者、基因组所副研究员肖华表示，为研究繁殖系统对基因组的影响，研究人员对杂合黑皮诺的两个单倍型基因组PN1、PN2和其后代自交品种PN40024的基因组进行了比较基因组学分析。
结果显示，黑皮诺基因组杂合度为1.43%，显著高于自交品种PN40024基因组的0.18%。三个基因组在序列水平（包括基因含量）上差异很大，如PN1、PN2及两者组合分别有2869、2864和3026个特有基因家族，而自交品种PN40024基因组相对特有的基因家族数量较少（581）。
“PN40024已然经历了9代自交，很多基因家族在这个过程中不断丢失，就如同玉米基因组的大小在自交繁殖中快速减小类似。这两种情况是极其类似的。”肖华如是说。
更进一步，团队分析了黑皮诺克隆个体间的遗传变异，会持续积累体细胞变异。
“植物的繁殖方式不同，会影响基因重新组合的效率，还和清除或保留那些不好的基因负担有关。”论文共同第一作者刘文文告诉《中国科学报》，繁殖方式的差异带来肉眼可见的区别。对于那些普遍存在的变异，克隆繁殖的葡萄比杂交繁殖的葡萄基因负担要高很多；自交繁殖的葡萄，隐性基因负担最高，杂合基因负担最低。而有个体差异的变异而言，杂交葡萄的基因负担更高。
在刘文文看来，“只有了解其背后的机制，我们才能发挥其优势、克服其劣势。”
聚合优点的“超级葡萄”
值得一提的是，PN40024作为自交九代的个体，从理论上讲理当完全纯和，但研究者依旧观察到了很多变异位点处于杂合状态，并且这些杂合变异聚集在一起。
“这个现象非常有意思。”周永锋说，栽培葡萄都是自花授粉结出种子，但大多有很强的自交衰退现象，意即种子种出来的苗一般都长得非常差。自交一代尚且如此，自交多代的苗则更难得到。因此，这历经多代自交仍有留存的、保持4.3%杂合状态的基因组区域，或许就是引起葡萄自交的衰退原因之一。
“如果葡萄始终维持这种杂合态，它很可能影响我们获取不同优良性状组合的个体，从而影响育种。”肖华表示，通过研究可以发现，这些杂合区域的存在与染色体上互斥相的大效应有害变异有关，这种有害变异分别位于一对染色体的两条染色体上。找到并移除这些变异或许可以解决这些问题。
当这些“无法被自交清除”的杂合区域被精准定位，有望成为解决葡萄自交/杂交衰退的终极密码。
此外，他们还发现，在自交繁殖作物中，半合子基因的比例极低，仅为0.01%-1.2%；在异交繁殖作物中则平均为8.7%；而在克隆繁殖作物中，半合子基因的比例显著升高至13.8%，这主要归因于杂合结构变异在克隆繁殖过程逐步累积。
通常情况下，一对染色体上有两个等位基因。而所谓“半合子基因”，则指向基因突变导致的一个等位基因缺失，使得个体在该基因位点上只留一个功能性等位基因的情况。
“研究发现，半合子基因的表达水平只有正常基因的20%”。论文第一作者彭艳玲表示，剩下的那部分基因并没有更努力地补偿缺失基因的功效。尽管如此，但半合子基因在果实发育、器官分化和环境胁迫响应等特定生物学过程中表现出更高的特异性表达，说明其可能在植物适应复杂环境、调控重要农艺性状上发挥重要作用。
周永锋团队通过反复比较不同繁殖体系之间的差异，尝试从各个角度解析彼此之间的异同，不仅为后续葡萄育种工作提供了极具价值的新思路与理论依据，更为聚合葡萄各种优点的“超级葡萄”的出现，打造了一条“黄金路线”。
相关论文信息：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2422487122
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56817-7
