長得既像亞洲梨又像西洋梨，口感既像亞洲梨那樣酥脆多汁，又兼具西洋梨的細膩肉質和濃郁風味……當你在吃一個庫爾勒香梨時，你吃的不是新疆梨，而是東西方梨文化的交融。

8月6日，《自然—遺傳》在線發表的由南京農業大學教授吳俊團隊領銜的研究成果，不僅證明我國的新疆梨是西洋梨和亞洲梨的雜交后代，而且以亞洲梨和西洋梨的代表性品種‘碭山酥梨’和‘紅巴梨’為試材，分別構建了高質量無缺口單倍型分型基因組，深度探究了亞洲梨與西洋梨長期分化與馴化選擇的特征，挖掘到控制亞洲梨和西洋梨果實大小、成熟軟化差異的關鍵結構變異。

亞洲梨和西洋梨。吳俊供圖

研究結果不僅為解析多年生果樹復雜性狀的遺傳變異和分子基礎提供了新范式，也為梨分子設計育種和優異性狀的高效聚合奠定了堅實的理論基礎與數據資源。

美國康奈爾大學教授費章君長期致力于生物信息學和植物基因組功能分析研究，他介紹，這項成果為梨的功能基因挖掘和分子育種提供了全新的組學平臺。該研究特別揭示了果實成熟軟化等性狀在亞洲梨與西洋梨之間分化的基因組結構變異機制，建立了從遺傳變異到表型調控的理論框架，推動了梨育種從“經驗育種”向“分子設計育種”轉型，具有重要的理論創新意義和廣泛的實踐應用價值。

亞洲梨和西洋梨各有千秋

梨是世界性廣泛栽培的重要果樹，其栽培歷史可以追溯到3000多年前。根據地理分布，主要分為亞洲梨和西洋梨兩大栽培種群。

論文通訊作者吳俊介紹，亞洲梨主要包含砂梨、白梨、秋子梨及新疆梨四大栽培種。亞洲梨的果實偏圓形、肉質酥脆、味甜汁多，除秋子梨以外，多數為采收后即可食用。

而歐美主栽的西洋梨均屬于一個栽培種，其果實呈葫蘆型，色澤豐富、口感細膩、風味濃郁，但多數在采收后需要后熟軟化才可食用。

這兩類梨看起來非常不一樣，實際上卻是同一個物種。它們分別具有消費者喜愛的獨特性狀，深受不同地域人們的喜愛。“如何將亞洲梨和西洋梨中優異獨特性狀聚合，并快速導入到新品種中去？”吳俊說，這是梨育種研究的重要課題。

“對于梨這樣的多年生果樹，通過傳統的雜交育種，培育一個優良新品種，需要15到20年左右的時間，不僅周期長，效率低，而且要投入大量的土地和勞動力，很難在短時間內培育出滿足市場和消費者需求的高質量梨果。”于是，吳俊團隊打算以解析梨的遺傳密碼和變異信息，提高育種效率為目標。

亞洲梨和西洋梨的果實。吳俊供圖

然而，梨屬于典型的自交不親和性物種，也就是說同一品種梨樹的雄花無法讓雌花受精并結出果實。吳俊說，這種必須依靠別的品種授粉的“操作”，使得梨的品種資源間存在廣泛的基因交流和遺傳重組，也造就了梨的多樣性。

盡管這種多樣性為梨育種提供了豐富的種質資源庫，但要想充分利用它培育出優良新品種梨，卻不是一件容易的事。

吳俊說，廣泛的基因交流導致了梨基因組高度雜合，不僅增加了基因組組裝復雜度，也影響了組裝結果的連續性。而且，由于亞洲梨和西洋梨遺傳差異很大，如果以其中一個栽培種為參考基因組，另外一個栽培種的比對率就低，導致部分遺傳信息缺失，無法研究利用。

“所以我們決定同時選取亞洲梨和西洋梨進行研究，旨在挖掘出控制亞洲梨和西洋梨表型差異的重要遺傳差異和功能基因，開發分子標記，為后續亞洲梨和西洋梨新品種選育和優異性狀聚合育種提供重要的遺傳信息。”吳俊說。

近乎完美的基因“書”

作為白梨的代表性栽培品種，“碭山酥梨”栽培歷史悠久，是中國也是全球栽培面積最大的梨品種，以其汁多味甜、酥脆爽口，耐貯存而聞名。而“紅巴梨”作為西洋梨的主栽梨品種，其果皮色澤鮮紅、果肉多汁、味濃香甜、肉質細膩。同時，這兩個栽培品種作為優異親本被廣泛用于梨育種，具有重要的應用價值。

“這就是我們選取‘碭山酥梨’‘紅巴梨’做完整單倍型基因組構建的原因。”論文共同第一作者、南京農業大學園藝學院已畢業博士孫滿意說。

受限于早期的基因組組裝技術條件，以往發表的梨基因組通常為嵌合組裝。嵌合基因組指的是在基因組拼接過程中，由于序列重復、雜合度高等原因，將來自不同父母本的染色體或不同來源的DNA片段拼接在一起，形成一個“混合體”基因組。

論文共同第一作者、南京農業大學園藝學院已畢業博士曹貝貝解釋道，如果把二倍體基因組看作兩本內容相近的書，解析基因組的過程就像把這兩本書打散后重新組裝。因分辨困難，把本該屬于不同書的章節拼在一起，本該兩本書中都有的章節卻只留下一份，導致一些信息丟了。

最后，拼接重組得到的書看似完整，卻內容有缺失、序列有誤。這種錯誤會導致基因位置、功能注釋和進化分析出現偏差，導致基因錨定錯誤或拼接出“假基因”，無法正確定位那些調控重要性狀的基因，影響后續的基因發掘和功能研究。

因此，“構建完整單倍型基因組，并借此挖掘優勢表達基因，對梨的農藝性狀解析具有重要的價值和意義。”論文共同第一作者、南京農業大學副研究員李甲明說。

所謂單倍型完整基因組指的是將物種基因組中每一套染色體的等位基因信息分別、完整的拼裝出來。例如，梨是二倍體，其擁有兩套遺傳物質，一套來自父本，一套來自母親，單倍型完整基因組完整還原了這兩套遺傳信息的所有內容，告訴人們哪些遺傳信息來自父本，哪些信息來自母本。

“擁有單倍型完整基因組，有助于更好的理解物種來自父母本的基因如何控制重要性狀，如果實品質、抗病性、抗逆等，是哪個來源的基因表達調控占優勢，是否存在雜種優勢等，為后續育種利用優異單倍型提供重要信息。”李甲明說。

采用先進的測序技術，他們成功構建了“碭山酥梨”與“紅巴梨”兩個染色體級、無缺口的二倍體分型基因組，“這就相當于得到了兩本完整無誤的基因‘書’。”李甲明說，其基因組覆蓋度達99.99%，錨定到染色體水平100%，達到參考基因組的金標準，為梨屬植物基因組學研究提供了關鍵資源。

新西蘭皇家植物與食品研究院、奧克蘭大學教授Andrew Allan表示，亞洲和西洋梨的高質量圖形基因組構建，為兩大種群基因組遺傳變異解析提供了解決路徑，避免了之前因種群間遺傳差異大、以其中任何一個為參考基因組時都會出現序列比對率低而丟失大量遺傳信息的難題。

實現梨品種“定制化”培育

獲得了兩套單倍型基因組后，他們開始進行分析比較，逐漸揭開了亞洲梨和西洋梨馴化歷史，以及諸多重要性狀背后的分子機制。

“我們的研究發現，大約在360萬年前，亞洲梨和西洋梨就分化成了兩個‘家族’。之后，由于人類對梨的不同選擇偏好，在不同的地方分別改良這兩類梨，選擇了不少與果實大小、甜度、酸度、口感等相關的性狀和有利基因，讓梨更符合當地人的喜好。這就是所謂的獨立馴化。也就是說野生梨種群先分化，再人工馴化成不同的栽培種。”吳俊說。

“通俗講就是兩個兄弟從小就分開生活，一個在東方，一個在西方，由于地理環境和培養模式不同，他們形成了不同的習慣和愛好。長期分開成長加上培養模式不同，讓亞洲梨和西洋梨具有不同的遺傳組成，相應地，在果實品質和抗性等特征方面也存在顯著差異。”論文共同第一作者、北京大學現代農業研究院研究員李奎說。

他們進一步研究發現，新疆梨是亞洲梨和西洋梨的栽培種間雜交后代，而且在梨種質中具有最高的遺傳多樣性。新疆梨的形成與2000多年前絲綢之路的文化物資交流有關，其果型居于兩者之間，繼承了東西方梨的優異性狀，既保留了亞洲梨脆肉多汁、采后即食、耐儲藏等特點，又兼具西洋梨有香氣、肉質細膩的特點。

他們在“碭山酥梨”基因組中，發現了與石細胞形成密切相關的漆酶（laccase）基因家族擴張，這可能是造成亞洲梨與西洋梨石細胞含量顯著差異的重要遺傳基礎。

在16號染色體上，他們鑒定到一個重要的亞洲梨馴化區間，包含與糖分、酸度和果實大小相關的重要基因。其中的酸度和果實大小基因也位于蘋果的馴化區間，表明梨與蘋果在果實性狀改良中可能發生了趨同馴化。

他們還在“碭山酥梨”單倍型基因組中找到了其特有的1703個基因，在“紅巴梨”單倍型基因組中鑒定了1994個特異基因，這些特異基因與“植物—病原體相互作用”及“環境適應”高度相關。

而梨的自交不親和性與“碭山酥梨”單倍型基因組上一個結構變異有關；梨果實橫徑則與一個缺失片段有關；西洋梨采后軟化性狀由果實成熟關鍵基因啟動子區的一段插入序列調控……高達35000多個結構變異可能與東西方梨的環境適應性及性狀形成有重要關聯。

吳俊說，他們的研究還提供了開發分子標記的重要序列信息。有了這些信息，育種家可以進行精準篩選和定向改良，高效選育優良品種，甚至通過分子設計，實現梨品種的“定制化”，大幅縮短育種周期，更好的滿足消費者不斷提升的產業需求。

來源: 中國科學報