果實開裂是自然界中的常見現象，從進化上來講「瓜熟蒂落」有助於種子的傳播和植物的繁衍。從產業上來講，田間和採後的果實開裂，都將大大降低經濟效益和消費價值。
果實開裂造成巨大產量損失（左：田間裂瓜導致減收或絕收；右：西瓜豐收對比）
從另一個方面講，果皮的耐裂性與果肉品質緊密連鎖，導致了「耐裂品種不優質，優質品種不耐裂」的現象。因而，西瓜果皮堅硬耐裂同時果肉清脆爽口成為了一個重要育種目標。這樣一來從田間到餐桌，瓜農好種、經銷商好賣、消費者覺得好吃，三全其美。
經過多年研究，浙江大學農業與生物技術學院張明方教授課題組首次發現了與新鮮果實耐裂相關的基因，不僅為進一步闡明果實耐裂性機理提供了新見解，同時也有利於加速耐裂優質品種的精準育種，為通過分子標記輔助育種等技術改良西瓜品種的耐裂性提供了重要的靶標基因。
這項成果以封面文章發表在國際知名植物學雜誌《植物生物技術雜誌》（Plant Biotechnology Journal）。浙江大學浙江大學農業與生物技術學院博士生廖南嶠、胡仲遠副教授為共同第一作者，張明方教授為論文的通訊作者。
西瓜皮耐不耐裂，這次找到了評價指標
果實裂果是農業生產中普遍發生的現象，嚴重影響果實的產量和商品性。西瓜在生產和物流過程中均易出現裂果現象，每年田間和物流階段的產量損失巨大。
西瓜從唐代經古絲綢之路進入中國，也歷經自然選擇和人工培育，但卻一直沒有很好的體系評價西瓜皮的耐裂性，傳統的育種家採用感官評價，捏一把或者刀切一下，這種方法完全憑育種者的經驗，育種效率低，無法解析果實耐裂機制，也很難打破「耐裂品種不優質」的桎梏。
如何把耐裂性狀用一個數值標記出來，是張明方課題組這次研究的第一個亮點。他們通過質構儀選用不同形狀的探頭，測量了果皮硬度、破裂性、破裂率、破裂力做功等8個不同評價指標。這些測量數據既涵蓋了傳統耐裂性判斷的指標，更包含了很多傳統方法無法測量的指標。「準確量化耐裂性狀、精準定位耐裂基因，能為培育耐裂品種提供重要的理論支撐，具有重要科學意義和應用前景。」
多個耐裂性狀指標的共定位
張明方介紹，果皮硬度就是測量西瓜在破裂瞬間受到的力，破裂性就是機械穩定施壓導致果實的主動破裂情況，破裂率就是同樣力切西瓜，會形成主動破裂周長。
根據這些前期指標，科研人員用耐裂性顯著差異的西瓜進行雜交，並對400多個西瓜F2代開展實驗性狀調查。科研人員在對159個隨機樣本進行單株測序後發現，所有耐裂相關指標都共同定位到西瓜的10號染色體上，而果皮硬度數據錨定的區域最為清晰精確。
在實驗的空隙，最有趣的還是一起吃西瓜。「大家都圍著西瓜做研究，實驗後就圍著吃西瓜，評瓜品味，有些實驗的靈感就是來自於吃西瓜。」胡仲遠說。
西瓜也有血型，這樣的瓜娃子最好吃
在初步鎖定10號染色體後，課題組創新了單株染色體片段來源分析方法，利用F2個別在候選區域發生重組的個體以及他們的自交後代F3群體，通過耐裂表型和基因型關聯分析縮小候選區間，鎖定關鍵基因，科研人員發現該區域存在一個ERF4 基因，是耐裂與否的重要因素。胡仲遠表示：「只用雜交第三代就能精確定位到基因，這是用傳統基因定位方法無法做到的，都是得益於我們創新的表型評價體系和基因挖掘方法。」
在自然界的不同西瓜種質的10號染色體上，存在兩種類型的等位基因ERF4-a和ERF4-b，與本實驗的耐裂親本擁有相同的ERF4-a基因的西瓜基本都耐裂；而具有ERF4-b基因的則表現為容易開裂；兼而有之的雜合類型，則表現為果皮堅硬，果肉較鬆脆。張明方用「血型」給這些西瓜樣本打了個比方，耐裂的如果是A型，那麼就可以把不耐裂的比成B型，兼而有之的則是AB型。
通過創新研究方法實現耐裂基因的快速精準定位
由於找到了耐裂性功能基因，課題組很快研發出分子標記物，只要用一點點葉片提取DNA進行分析，就可以很快的測試出西瓜屬於哪個「血型」。在對已有的104個西瓜品種資源進行驗證後，科研人員發現西瓜的「血型」可以很好地反映耐裂性。另一方面，張明方團隊還對市面上銷售的30餘份不同西瓜商品種進行了檢測，發現只有在設施栽培的西瓜品種中才會發現較多的「B型血」，而露地栽培的西瓜品種，基本上全是純合的A型或雜合的AB型。
這是因為「B型血」西瓜的果皮容易開裂，在露地栽培很容易受到雨水等不利因素刺激而發生田間果實開裂，所以在長期育種過程中，「B型血」被逐步淘汰了。而在設施栽培條件下，避雨設施為西瓜提供了保護，不耐裂的西瓜也能較好地生長，育種家們在選育優質品種的過程中，不知不覺地把不耐裂的「B型血」保留了下來，而耐裂的純合「A型血」由於常常聯鎖果肉較硬這一不良品質，就很少被保留在設施西瓜品種裡了。
「從我們的日常經驗中也可以發現，在露天生長受到風吹雨打，西瓜品種的果皮必需更加堅韌。」胡仲遠說，「事實上在AB型的品種裡，更有可能發現又耐裂又清脆好吃的西瓜。」
那麼是什麼讓A型和AB型西瓜更耐裂呢？
課題組繼續開展研究，他們發現ERF4 基因是乙烯信號途徑的重要轉錄因子，從基因進化角度和結構特徵判斷，該基因很可能調控細胞壁木質素的生長和積累。「木質素就好像細胞壁的鋼筋，形成銅牆鐵壁，讓細胞壁更堅固、更有韌性和硬度。」張明方說。
功能基因的進化分析為功能預測和後續機理研究提供重要線索
精準育種找到新方向
張明方介紹，功能基因的分子標記為育種篩選帶來了新的可能。
在之前如果需要篩選品種，需要大量的人力物力栽培巨大的種群進行大量的普查式的性狀研究，而有了分子靶標，就可以先對各類品種資源進行苗期篩選，再選擇帶有目標基因的少量個體進行田間種植。
比如耐裂優質西瓜的選育，我們不再需要在每個世代開展耐裂性選擇，只需選擇出A或AB血型的材料再開展田間種植，再從中選育果肉品質佳又較耐裂的個體繁育後代。這樣不僅可以減少每季的種植量，而且不用擔心耐裂基因在育種過程中「丟失」，獲得目標品種的時間也將大大縮短。「將自然界已有的優質基因篩選出來，進而開發相關分子標記，可以大大提高育種的精度和速度。」
不斷發掘抗逆、抗病、優質等相關功能基因，並利用分子標記輔助育種技術，將各種有益性狀高效地集合到我們的育種材料中，選育出田間-物流-餐桌「三全其美」的西瓜新品種，成為了張明方團隊西瓜精準育種的新方向。
本項目受國家西甜瓜產業技術體系、國家自然科學基金等項目支持。
（文 柯溢能/圖片由課題組提供）
來源：浙大新聞網