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生物育種 | 解鎖酸甜美味的健康密碼
生物育種技術作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進步的基石，在提升作物產(chǎn)量、增強抗病性及優(yōu)化營養(yǎng)價值等方面起著不可或缺的作用。然而，這一過程卻面臨著多重挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)育種方法效率低下、周期長，以及遺傳背景復雜、基因定位困難等問題。
在全球糧食安全需求日益迫切和科學技術飛速發(fā)展的時代趨勢下，中國生物育種技術正在進行一場深刻的轉型與革新，從早期依賴馴化和雜交的傳統(tǒng)育種方式逐步過渡到現(xiàn)代分子育種與智能設計育種階段。這一跨越的核心在于揭示并掌握植物生長發(fā)育過程中蘊含的遺傳法則，以實現(xiàn)針對特定性狀的精準定向育種。
為此，海南大學三亞南繁研究院/熱帶農(nóng)林學院王守創(chuàng)課題組開展了深入研究，并近期在國際學術期刊 Horticultural Research上發(fā)表了題為“A metabolomics study in citrus provides insight into bioactive phenylpropanoid metabolism”的研究論文。該研究通過應用基因編輯和分子標記輔助育種技術，加速了優(yōu)良基因的篩選，并通過代謝組學和基因組學手段解析了柑橘次生代謝物合成途徑，為品質(zhì)改良提供了基礎。同時，利用大數(shù)據(jù)和人工智能優(yōu)化育種策略，提高了育種效率和精準度。
王守創(chuàng)
教授
海南省領軍人才（C 類人才），入選中國科協(xié)青年人才托舉工程第五屆項目，海南省“515 人才工程”。熱帶生物學報和 Frontiers in Plant Science 編委。中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院兼職博士生導師，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院特聘研究員。主要從事植物代謝組學技術開發(fā)與創(chuàng)新應用研究，以水稻、番茄和藥用植物為研究對象，以代謝組學為切入點，綜合運用生物信息學、基因組學、生物化學、分子生物學、細胞生物學等多種手段，致力于代謝組學檢測新技術與代謝數(shù)據(jù)人工智能分析方法的開發(fā)，以及植物重要天然產(chǎn)物生物功能的解析。實驗室前期工作發(fā)表在 Cell、Molecular Plant、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、Current Opinion in Plant Biology、Trends in Genetics、SCIENCE CHINA Life Sciences、New Phytologist 等國際主流期刊上，部分研究成果入選 “十三五”期間農(nóng)業(yè)科技標志性成果和“2019 中國農(nóng)業(yè)科學重大進展”。
柑橘作為全球農(nóng)業(yè)經(jīng)濟體系中的核心水果品類，其產(chǎn)業(yè)地位無可替代。然而，柑橘類的育種工作卻面臨著多重艱巨挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)育種方法的低效與周期過長、抗逆性與產(chǎn)量品質(zhì)難以同步提升，以及由于遺傳背景復雜所帶來的基因定位困局，這些都極大地阻礙了高品質(zhì)柑橘品種的培育和推廣，進而限制了整個柑橘產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化升級。對此，王守創(chuàng)教授領導的科研團隊不畏艱難，深入探究柑橘次生代謝物合成路徑，以期通過代謝組學和基因組學的雙重手段破解品質(zhì)改良難題。他們展開了一系列精密且全面的研究。
代謝組學與 mGWAS 分析
探秘柑橘代謝譜差異
研究團隊針對各類柑橘物種展開了全面而詳盡的代謝組學分析，對比了不同柑橘品種間的代謝特征，特別關注了它們在酚類丙烷衍生物代謝途徑上的變化。研究采用 FaST-LMM 和 EMMAX 方法，通過對 154 個柚子品種進行基于代謝物的全基因組關聯(lián)分析 (mGWAS)，系統(tǒng)解析了代謝組變異背后的遺傳和生化機制。
圖 1. 基于 FaST-LMM和EMMAX 的 mGWAS 分析
候選基因位點與調(diào)控網(wǎng)絡構建
挖掘關鍵基因與調(diào)控機制
研究人員進一步構建了柚子的代謝物-單核苷酸多態(tài)性-基因交互網(wǎng)絡，成功鑒定出多個控制生物活性化合物合成與調(diào)節(jié)的關鍵候選基因位點，其中包括參與黃酮糖苷馬龍基化的 BAHD 馬龍酰基轉移酶家族成員。此外，發(fā)現(xiàn)了一個名 為CgMYB1 的 R2R3-MYB 轉錄因子，其對柑橘尤其是柚子中酚類丙烷代謝分子具有顯著正向調(diào)控作用，尤其影響黃酮類化合物衍生物質(zhì)的合成。
圖 2. 代謝物-單核苷酸多態(tài)性-基因交互網(wǎng)絡示意圖
柑橘品質(zhì)改良的靶向策略
瞄準柑橘品質(zhì)提升
該研究深入剖析了柑橘中豐富的次生代謝產(chǎn)物，如類黃酮、黃酮醇、類胡蘿卜素等對人體健康極其有利的物質(zhì)合成路徑。通過對 CgMYB1 等轉錄因子的研究，確認了它們對柑橘中酚類化合物生物合成的重要調(diào)控作用。該研究不僅豐富了我們對柑橘特別是柚子中復雜黃酮糖苷衍生物生物合成路徑的認識，還提供了改善柚子營養(yǎng)價值的潛在目標，并為未來柑橘育種工作提供了一套高效解剖代謝途徑的方法。
圖 3. CgMaTs 轉錄因子的識別與功能分析示意圖
LC-QTOF 高分辨液質(zhì)技術
助力代謝網(wǎng)絡解析與活性成分解析
在研究過程中，為了實現(xiàn)柑橘類樣本中代謝物的精準鑒定與量化分析，科研團隊采用了 Agilent 液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜（LC-QTOF）技術，對樣品進行高分辨率數(shù)據(jù)采集。得益于此，研究得以高效對比和確認柑橘果實中的各種代謝物信息，從而更深入地揭示柑橘水果內(nèi)部豐富的生物活性成分，并成功構建了詳細的代謝網(wǎng)絡。
圖 4. 基于液相聯(lián)用高分辨質(zhì)譜的代謝網(wǎng)絡構建
綜上所述，王守創(chuàng)教授（第一作者）及其團隊的研究不僅拓展了我們對柑橘中復雜酚類化合物代謝途徑的認知邊界，也為提升柑橘品質(zhì)、培育更加健康美味的柑橘新品種提供了扎實的理論指導和技術支持。這一研究的成功實施充分體現(xiàn)了生物育種在解析植物遺傳密碼、優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面的巨大潛能和深遠意義，為今后的生物育種科技創(chuàng)新的持續(xù)進步與發(fā)展奠定了堅實的基礎。
參考文獻：
1.Shouchuang Wang, Shuangqian Shen, Chao Wang, Xia Wang, Chenkun Yang, Shen Zhou, Ran Zhang, Qianqian Zhou, Huiwen Yu, Hao Guo, Weikang Zheng, Xianqing Liu, Juan Xu, Xiuxin Deng, Qiang Xu, Jie Luo, A metabolomics study in citrus provides insight into bioactive phenylpropanoid metabolism, Horticulture Research, Volume 11, Issue 1, January 2024, uhad267.