苹果优质高效育种技术创建及应用*

2022-09-06魏景利张宗营毛志泉陈学森

中国果树 2022年9期

魏景利，王楠，张宗营，毛志泉，陈学森

（1 冠县林业局，山东 252500）

（2 山东农业大学园艺科学与工程学院，国家苹果工程技术研究中心，作物生物学国家重点实验室）

品种是农业的“芯片”。突破性品种培育的关键在于优异种质创制和育种技术创新，而优异种质创制和育种技术创新关键在于遗传基础理论突破。因此，理论创新对于推动种业振兴具有重要作用。在国家关于“坚持凭能力、实绩、贡献评价人才，克服唯学历、唯资历、唯论文等倾向”的人才评价机制改革及乡村振兴的大背景下，农业高校专业课教师或具有人才培养职能的科研院所科技工作者，要实现人才培养、科学研究和社会服务三位一体和同步提升，必须坚持“理论与技术创新并重”的科研思路。现将苹果资源育种理论与技术创新及新品种培育的研究案例解读如下，以供参考[1]。

我国苹果面积、产量均占世界的50%以上，年产值超过2 000 亿元，是乡村振兴、增加农民收入的支柱产业。针对拥有自主知识产权的优质品种缺乏和育种周期长等瓶颈问题，我们科研团队以高类黄酮为主线，以新疆红肉苹果和红富士评价挖掘与创新利用为研究重点，在苹果资源与育种理论创新、红肉苹果优异种质创制、高效育种技术创建、特色多样化新品种培育及其配套高效栽培与加工技术创新等核心技术实现了突破，取得了重要创新成果，获2020 年度国家技术发明二等奖[2]。

1 红肉苹果育种理论与技术创新及新品种突破

1.1 红肉苹果育种理论与技术创新及其发明专利

1.1.1 优质品种亲本溯源分析及果树多种源品质育种法

对国内外育成的苹果和梨等果树优质品种进行亲本溯源分析，结果发现，复杂的遗传背景和目标性状多样性是品质育种亲本选择的关键。为此，我们发明了以新疆红肉苹果、红富士和高类黄酮优异种质CSR6R6 等为关键杂交亲本的“果树多种源品质育种法”，实现了多个品质性状（基因）的有效聚合及超亲遗传[3]。

1.1.2 苹果高类黄酮形成机理与高类黄酮苹果优异种质

研究了苹果高类黄酮形成的分子机制，发现苹果MYB12 能够与bHLH3/33 互作调控黄烷醇的合成，而MYB22 能够直接与FLS启动子结合促进黄酮醇合成。在此基础上，提出了全红肉表型、分子标记及基因表达量检测三结合的高效筛选方法，创制出高类黄酮苹果优异种质CSR6R6，叶、花、果、肉均为深红色，类黄酮含量为2.51 mg/g，抗氧化能力是白肉苹果品种的7 倍；平均单果重204 g，肉质细脆，果实发育期120 d，为红肉苹果育种提供了关键亲本[4-6]。

1.1.3 基因表达特性分析与易着色苹果品种培育法

明确了新疆野苹果是世界栽培苹果的祖先种及新疆红肉苹果转录因子MsMYB10 基因的组成性表达特性，发明了“一种易着色苹果品种培育法”，培育的苹果新品种（系）果面光洁光亮，易着色，可免套袋。同时创建了行间生草免套袋轻简化栽培技术，为我国苹果免套袋栽培技术体系创建提供了技术支撑[7-9]。

1.1.4 杂种后代遗传变异特点与“三选两早一促的苹果育种法”

构建了新疆红肉苹果与红富士等苹果品种杂种分离群体，明确了杂种后代品质性状遗传变异特点，发明了“三选两早一促的苹果育种法”，即选新疆红肉苹果与红富士苹果杂交（一选），杂交种子在温室内早播种育苗（一早），初果期从F1群体筛选红脆肉株系早杂交（二选二早），选留红色叶片的杂交二代实生苗定植于选种圃（三选），前促后控缩童期促结果（一促），就是在实生苗的童期采取农业措施，加速实生苗的营养生长，使实生苗尽快达到一定的高度（节位）；当实生苗达到一定的高度（节位）后，采用树干环剥等措施，控制实生苗的营养生长，促进开花结果。利用该方法从杂交二代分离群体中选育出美红等高类黄酮苹果新品种，育种年限由传统方法的20 年缩短至15 年[10]。

为保障育种计划及相关技术的顺利实施，课题组组建了3 个基地及其30 余人组成的产学研协同创新团队，并明确了任务分工：泰安横岭育种基地及研究生团队，主要任务是负责红富士等苹果品种与新疆红肉苹果杂交一代分离群体的定植与管理，杂交一代分离群体中的红肉脆肉株系花粉采集及在泰安温室或组培室进行杂种实生苗培育；山东烟台牟平基地及团队，主要任务是采用课题组前期研发的“连被去雄法”进行杂交授粉及杂交果实的采集；冠县育种基地及其团队，主要任务是负责新疆红肉苹果杂交二代实生苗的定植与管理、高类黄酮（红肉）苹果新品系的选育、品种（系）比较试验及区域栽培试验。

1.2 红肉苹果新品种的培育

利用红肉苹果育种技术发明专利群及杂交二代分离群体，育成了易着色免套袋、酥脆多汁、酸甜可口的幸红、福红、美红、满红等红肉苹果新品种，填补了我国红肉苹果品种的空白，克服了鲜食红肉苹果红色之爱普遍存在的酸涩问题，实现了新疆野苹果资源的利用保存[11-14]。

2 苹果红色芽变（红皮）机理与育种技术创新及新品种培育

2.1 芽变选种推动了世界苹果产业优质高效发展

杂交育种主要是通过亲本的选配，利用其基因组的基因分离、组合、互作和修饰获得杂种优势，培育全部性状都得到改良的新品种；而芽变选种是体细胞突变，也是“优中选优”，主要是利用芽变的重演性特点，对生产中的主栽品种个别性状进行持续改良。美国于1880 年从自然杂交的偶然实生苗中选育出元帅，经过持续5 代的芽变选种，先后选育出红色及红色短枝芽变品种123 个，形成了庞大的元帅系芽变品种群，使元帅的外观品质、市场竞争力及结果性能得到显著提升，解决了元帅苹果着色差和极性强、成花难的问题，成为美国苹果产业的主栽品种，并创建了世界著名的“蛇果”品牌，有力推动了美国苹果产业的优质高效发展。针对从日本引进的长富2 号等红富士品种着色差的问题，经过持续5 代的芽变选种，我国先后选育出红色及红色短枝芽变品种20 余个，形成了庞大的富士系芽变品种群，使长富2 号果实的着色、风味品质及生长结果习性等性状得到了有效改良，“好看、好吃、好卖、好管”，实现了国外品种的本土化，极大地推动了我国苹果产业的优质高速发展[15-16]。

2.2 苹果红色芽变机理和育种技术创新及新品种选育

进一步以长富2 号（第2 代）、烟富3 号（第3代）和烟富8 号为试材研究发现，MYB1 启动子甲基化水平与果皮花青苷含量呈显著负相关，揭示了苹果红色芽变DNA 甲基化差异及花青苷合成的分子机制，苹果AGO4s 识别MYB1 启动子的ATATCAGA 序列并招募DRM2s 对MYB1 启动子进行CHH甲基化修饰，MYB1 进而调控花青苷结构基因及转运蛋白GSTF6，影响花青苷的合成。在此基础上，发明了基于MYB1 启动子甲基化水平检测的苹果精准芽变选种技术[17-20]。

利用该技术对果农和基层技术干部采用“一把尺子，一杆秤，用牙咬，用眼瞪”常规方法在苹果园里发现的苹果红色变异进行了分子鉴定，其中有2 个红色变异被确认为红色芽变。因此，不经过初选程序，2 个红色变异直接参加了品种比较试验和区域栽培试验等复选程序，实现了对红色变异的早期、快速、准确鉴定，并最终选育出龙富和元富红等苹果芽变新品种，育种年限缩短了2～3 年。其中，龙富易成花，果实易着色，品质优；元富红果实宝石红色，全红果比率在98%以上，品质优。这2 个品种均已在我国苹果主产区广泛种植，解决了我国苹果产业主栽品种着色差的问题。

由于红色短枝芽变品种属于DNA 甲基化引起的表观遗传，长富2 号等品种的晚熟和耐贮性状始终没有改变，从而构建了以优质、耐贮、晚熟富士系芽变品种群为主的中国苹果产业品种结构，是保障14 亿中国人新鲜苹果周年供应最经济有效的技术途径。因此，在未来很长的一段时间，红富士芽变品种群占我国苹果产业半壁江山的格局不会改变[21-22]。

3 苹果育种技术拓展应用及山农酥梨新品种培育

发现新疆库尔勒香梨优质、耐贮特性的遗传能力强，以遗传背景复杂的品种作为杂交母本，容易获得较强的杂种优势。因此，利用“果树多种源品质育种法（ZL201510428448.8）”等苹果育种技术，以遗传背景复杂、含有新疆库尔勒香梨血缘的新梨7 号为母本，以砀山酥梨为父本，育成了中国第1个优质、耐贮、极晚熟、抗氧化梨新品种山农酥，平均单果重460 g，果心小，果个大；质地细密、酥脆，可溶性固形物含量14.8%，品质优；常温下存放2 个月，仍保持酥脆品质，耐贮藏；果实发育期180 d 左右，极晚熟；切开后72 h 不褐变，抗氧化（维生素C 含量高），已经成为更新换代品种，解决了砀山酥梨等主栽品种“晚熟而不优质”的问题，受到市场和消费者的普遍欢迎，发展势头强劲，在山东聊城、菏泽、济南、泰安及江苏、河北和安徽等地推广3 333 余hm2，成为鲁西一带主栽品种，推动了中国梨产业优质高效发展（图1）[23-24]。