桃，起源于中國，在我國已有數(shù)千年的栽培歷史。最早的文獻記載可以追溯到《詩經(jīng)》。晉代的陶淵明在《桃花源記》中描繪了一個世外桃源，一個與世隔絕、和平寧靜的理想社會，也讓“桃花源”成為理想世界的代名詞。
唐代詩人白居易的詩句“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開”暗示人們要珍惜時光，抓住生命中每一個美好瞬間。此外，桃也常被視為長壽和不朽的象征，著名的道教傳說中，西王母的蟠桃宴就是以桃子為主題，傳說這些蟠桃?guī)浊瓴艜墒煲淮危粤丝梢蚤L生不老。
可以看出，小小的桃子不僅是美味的水果，還在中國文化中占據(jù)重要地位，成為文學、藝術和民俗中常見的元素。
事實上，從生物學角度來看，小小的桃子背后蘊藏著許多學問。
桃果實富含維生素C、纖維素以及多種礦物質(zhì)，對健康有益。因此，桃作為一種營養(yǎng)豐富、口感良好的水果，在市場上有著廣泛的需求。
隨著現(xiàn)代育種技術的不斷進步和發(fā)展，市場上桃品種越來越多。從果實顏色來看，有紅肉桃、黃肉桃和白肉桃；從外觀區(qū)分，有圓桃和蟠桃之別；按照果實表皮毛有無可以分為油桃和毛桃；依據(jù)果肉質(zhì)地又可分為軟桃和硬質(zhì)桃；從果核與果肉的分離程度還有離核和粘核的差異……
形態(tài)學上的豐富變異，表明桃具有高度的遺傳多樣性，蘊含著豐富的科學奧秘。我們的研究正是試圖揭開這些謎底，助力桃果實品質(zhì)的遺傳與改良，為桃產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展貢獻力量。
血桃著色的秘密
湖北是我國桃主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積110萬畝左右，位列全國第四，目前呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。其中，作為湖北地方品種的紅肉桃，因其血紅的果肉顏色和高效的抗氧化能力備受廣大消費者青睞，也引起了育種學家的高度關注。
紅肉桃又稱血桃，根據(jù)記載，湖北的紅肉桃最初可能來源于大悟縣。不同的地方關于紅肉桃叫法也各異，它還有大紅袍、小紅袍、胭脂桃、朱砂紅、狗血桃等多種稱呼。
回國組建實驗室后，我遇到的第一個感興趣的課題就是紅肉桃。但當時實驗室條件簡陋、經(jīng)費稀缺，開展這項研究并不容易。所幸我遇到了一批勤奮刻苦、勇于探索的研究生，同時也很感謝湖北省農(nóng)業(yè)科學院果樹茶葉研究所研究員何華平，在當時熱心地為我們提供研究材料。
一切準備就緒，解析血桃著色機理的相關課題正式提上了日程。初步實驗后，我們得到了復雜的分析結果，意味著要從數(shù)千個差異表達的候選基因中，找到控制血桃著色性狀的關鍵基因。
顯然這并非易事。那段時間，我們幾乎天天泡在實驗室里，不斷優(yōu)化實驗方案、改進實驗方法，反復查閱相關文獻和核對實驗數(shù)據(jù)。最后，在與新西蘭科學家的合作下，我們利用病毒介導的瞬時沉默技術，達到了在桃果肉中驗證候選基因的目的。
終于，課題組成功克隆了調(diào)控血桃著色的BL基因，并成功解釋了血桃和白肉桃的果肉出現(xiàn)如此明顯差異的原因。
這些成果成為我們團隊的重大突破，同時，研究中發(fā)現(xiàn)的BL基因也是我國果樹研究領域首個通過圖位克隆方法挖掘到的功能基因。這一科學發(fā)現(xiàn)極大地推動了我國果樹遺傳學研究。
“近核紅”產(chǎn)生的原因
除了血桃這種比較特殊的品種外，還有一類桃子在日常生活中也比較常見，但背后的科學問題卻鮮少有人思考。
在桃加工產(chǎn)業(yè)中，有一種“近核紅”現(xiàn)象，即靠近桃果核的果肉呈紅色，這種現(xiàn)象為罐裝桃的生產(chǎn)帶來了額外的挑戰(zhàn)。因為這意味著制作桃子罐頭時，人們需要對紅肉部分進行額外的處理，增加了生產(chǎn)成本。因此，弄清楚“近核紅”性狀的產(chǎn)生原因，不僅是一個有趣的科學問題，更是一個亟待解決的產(chǎn)業(yè)需求。
通過遺傳學和分子生物學等實驗技術，我們篩選出幾十個可能的候選基因，通過不斷地排除和檢驗，最終鑒定到調(diào)控桃果實“近核紅”性狀形成的重要基因，并發(fā)現(xiàn)其關鍵的協(xié)同因子。
在這兩個基因的共同作用下，促進了調(diào)控花青素合成的“明星基因”PpMYB10.1的轉(zhuǎn)錄水平，從而引起近核處花青素的大量積累，導致了“近核紅”現(xiàn)象的產(chǎn)生。該研究成果為加工桃新品種的選育提供了重要的理論依據(jù)和基因資源。
油桃為什么沒有毛
作為一種形態(tài)豐富的水果，桃與桃的不同不僅體現(xiàn)在果肉上，還體現(xiàn)在外觀上。
一直以來大家都很好奇，為什么有的桃子果面有毛，有的桃子果面光滑沒毛？桃子果面光滑與否是什么原因?qū)е碌模?/span>
我們團隊的一名研究生也注意到了這個有趣的問題。他在前人遺傳學研究結果的基礎上，經(jīng)過一年多的基因功能分析和驗證，找到了引起毛桃和油桃分化的關鍵候選基因。
在團隊成員的共同努力下，我們在桃果實表面有毛和無毛的基礎上，進一步找到了導致油桃表面光亮的原因。更有趣的是，控制這兩個性狀的基因居然是同一個——PpMYB25，這個基因不僅控制著桃果皮毛的形成，并且還調(diào)控果皮蠟質(zhì)的合成。因此，如果PpMYB25突變，將會導致桃表皮光亮、無毛的特性，即表現(xiàn)為我們平時所說的“油桃”。
“跳色”的桃花
除了桃子果實，從古至今，人們對桃花的熱愛也是有增無減，而二色桃則是桃花中當之無愧的翹楚。
二色桃俗稱紅白花桃，該品種在一棵樹上或者一個枝條上有交替的紅色、白色和粉紅色的花，甚至有的花瓣也是紅白相間的。
為了弄清楚紅白花中出現(xiàn)這種“跳色”的神奇現(xiàn)象的原因，我們開展了大量研究：從不同顏色花中花青素含量和種類的差異分析，到花青素合成通路上結構基因、花青素轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)錄水平檢測；從比較轉(zhuǎn)錄組分析，到比較蛋白組分析……每一步看似簡單的過程，背后都藏著團隊成員們無數(shù)個日夜的埋頭苦干和一次次不厭其煩的從頭再來。
隨著研究的不斷深入，我們終于弄清了產(chǎn)生這種雜色花的原因。原來，是控制桃花青素轉(zhuǎn)運的Riant基因比較“調(diào)皮”。
研究發(fā)現(xiàn)，在白花和粉花中出現(xiàn)了幾個堿基的缺失或插入，導致Riant基因的功能失活，所以無法正常地將花青素轉(zhuǎn)運到液泡中進行儲存，從而導致出現(xiàn)桃花顏色的差異。表現(xiàn)在整個植株上，就會形成一棵樹、一個枝條或一朵花上面同時呈現(xiàn)紅色、白色和粉色的現(xiàn)象。
可酸也可甜
色澤和風味品質(zhì)是評價果實品質(zhì)的兩個主要因素，其中有機酸和可溶性糖的含量和比率是決定果實風味品質(zhì)的關鍵因素。
為了進一步提高桃子的商品價值，我們團隊一直致力于研究桃果實有機酸和可溶性糖積累的遺傳機理。
中國人的口味偏甜，歐美國家則更喜歡酸味。基于這種口味的差異，東西方在果樹品種的選育方面也有著不同的側(cè)重點。
中國人選育的一些桃的品種多是“高糖低酸”，而西方則是“高糖高酸”或者“中糖高酸”。不同品種之間的表型差異固然與種植技術的高低、環(huán)境因素有關，但這種差異主要還是由遺傳因素決定的。為搞清影響桃果實酸度和糖含量的機制，我們開展了相關研究。
近十年來，我們團隊保育了200余份桃核心種質(zhì)材料，通過這些材料，再借助遺傳學方法，鑒定到控制桃果實酸度和糖含量的候選基因，明確了它們在桃果實中影響糖和酸的含量高低的機制。
基于這些研究結果，我們開發(fā)了一系列與糖和酸性狀顯著關聯(lián)的分子標記，通過這些關鍵的位點信息，可以指導桃樹雜交后代的選擇，為優(yōu)質(zhì)桃品種的選育提供了技術保障。
基礎研究的最終目的都是要服務于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)的育種方式逐漸被現(xiàn)代育種所取代，全基因組選擇育種、基因工程改良和基因編輯等技術也終將因其明顯的優(yōu)勢而走上時代的舞臺。
然而，桃的遺傳轉(zhuǎn)化是世界性難題，到目前為止還沒有形成高效完善的桃穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系。
就算是硬骨頭，我們也要把這塊骨頭給啃下來。經(jīng)過5年的努力，在嘗試了100多份不同品種的不同外植體材料后，我們終于構建了發(fā)根農(nóng)桿菌介導的桃根系遺傳轉(zhuǎn)化技術體系，并得到了“轉(zhuǎn)基因根—野生芽”的復合型植株。
同時，我們還成功建立了桃愈傷組織的穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系，而桃完整植株的轉(zhuǎn)化體系構建目前也正在有序進行中。
我們的研究不僅在學術上取得了重要突破，對桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有深遠的意義。
基于桃風味、色澤品質(zhì)的基礎研究成果，我們開發(fā)了與糖、酸含量高低緊密連鎖的分子標記，并進行了雜交親本的選擇，開展了分子標記輔助選擇育種。近兩年，我們團隊與湖北省農(nóng)業(yè)科學院、安徽省農(nóng)業(yè)科學院合作選育了4個桃新品種，累計應用推廣面積超過2萬畝。這些新品種不僅豐富了市場選擇，也提高了桃產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。
在桃果實遺傳與改良的研究中，我們遇到了許多挑戰(zhàn)，也取得了許多重要的突破。未來，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)對桃色澤和風味的自由調(diào)控，為滿足消費者的多樣化需求、大幅提升桃產(chǎn)業(yè)的競爭力而努力。我們將繼續(xù)深入研究，爭取在桃果實遺傳與改良領域取得更多突破，為桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻力量。■
（作者系中國科學院武漢植物園研究員）
《科學新聞》 (科學新聞2024年10月刊 生態(tài))