葡萄是世界上僅次于柑橘的第二大果樹(shù)作物，而我國(guó)則以葡萄產(chǎn)量全球第一、種植面積全球第二的規(guī)模穩(wěn)居產(chǎn)業(yè)龍頭。然而，在氣候變化引發(fā)的極端天氣沖擊下，傳統(tǒng)的葡萄品種糖酸平衡受到破壞，品質(zhì)隨之下降，“顏值”與“風(fēng)味”面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，我們亟需培育具有環(huán)境韌性的高抗優(yōu)質(zhì)新品種。

為了達(dá)成這一目標(biāo)，科學(xué)家們一直在努力尋找育種的“加速器”。近期，國(guó)家植物園南園葡萄與葡萄酒科學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合基因芯片技術(shù)和 AI 表型組平臺(tái)的新方法，能夠快速定位控制葡萄性狀的關(guān)鍵基因，精準(zhǔn)評(píng)估性狀信息，以加速抗逆性強(qiáng)、風(fēng)味更佳的葡萄品種的培育過(guò)程。

高密度基因芯片——

葡萄的“基因身份證”

此前，通過(guò)人工雜交育種的方法選育新品種不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且效率低。這主要是因?yàn)?，一方面在傳統(tǒng)育種過(guò)程中需要通過(guò)播種種子的方法得到新的葡萄藤，從播種到結(jié)果需要 3~5 年的時(shí)間（童期）；另一方面，葡萄品種的基因組也具有較高的雜合度，雜交獲得后代表現(xiàn)很難預(yù)測(cè)，通常需要萬(wàn)里挑一才能獲得一個(gè)優(yōu)異的品種。

因此在作物遺傳改良研究中，科學(xué)家們一直希望能像“查字典”一樣快速定位控制重要性狀的基因。隨著技術(shù)發(fā)展，基因芯片應(yīng)運(yùn)而生，它能夠利用已知序列的 DNA 片段定位目標(biāo)基因，并利用片段中的探針檢測(cè)出哪個(gè)堿基發(fā)生了變異，進(jìn)而在“字典”中對(duì)該變異進(jìn)行篩選。國(guó)際上葡萄基因芯片探針數(shù)一般為幾千到幾萬(wàn)不等。

在普通基因芯片基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了高密度基因芯片。該芯片借助 313 份葡萄基因組數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)而成，能夠覆蓋葡萄全部的 19 條染色體，其標(biāo)記密度達(dá)到每 2.8 千堿基一個(gè)位點(diǎn)，即在葡萄基因組上，平均每隔 2800 個(gè)堿基就設(shè)置了一個(gè)遺傳標(biāo)記檢測(cè)點(diǎn)，比現(xiàn)有國(guó)際芯片的標(biāo)記密度高出 10 倍。

高密度基因芯片就像一臺(tái)高效的“基因雷達(dá)”，它可以掃描整個(gè)葡萄基因組，幫助我們精準(zhǔn)定位重要性狀的基因。

葡萄基因芯片 圖片來(lái)源：作者拍攝

AI 表型組平臺(tái)——

葡萄的“智能體檢儀”

除了“基因雷達(dá)”，研究人員還搭建了配套的葡萄“智能體檢儀”——AI 表型組平臺(tái)。它利用圖像識(shí)別技術(shù)，能在 1~2 秒內(nèi)掃描一顆葡萄的 124 項(xiàng)特征，比如大小、形狀和顏色，并智能分辨葡萄位置、朝向，并迅速?gòu)母叨榷鄻踊挠N群體中海選出最優(yōu)秀的潛力品種，徹底改變了過(guò)去靠人工測(cè)量效率低、誤差大的局面。

此外，這個(gè)平臺(tái)還能用降維算法進(jìn)行“性狀翻譯簡(jiǎn)化”——把復(fù)雜的顏色深淺、果形變化等性狀表現(xiàn)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)字指標(biāo)，讓不同品種之間的比較更加科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)，這套系統(tǒng)還將配備高光譜、熱紅外等先進(jìn)傳感器，可以捕捉更多隱藏的性狀信息，讓葡萄的“健康報(bào)告”更加全面詳細(xì)。

葡萄表型組平臺(tái)  動(dòng)圖來(lái)源：作者制作

成果應(yīng)用：

從“靠天吃飯”到“科學(xué)定制”

研究人員通過(guò)運(yùn)用這個(gè)新型育種利器，發(fā)現(xiàn)了名為 VaNAC08 的關(guān)鍵抗寒基因，它如同葡萄中的“抗凍開(kāi)關(guān)”，通過(guò)激活下游基因 VaRFS6，促進(jìn)葡萄細(xì)胞內(nèi)棉子糖（一種天然防凍劑）的積累。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)這個(gè)基因過(guò)表達(dá)時(shí)，葡萄細(xì)胞在低溫下的存活率顯著提高，并減少了電解質(zhì)泄漏。這意味著未來(lái)品種可普遍不再需要傳統(tǒng)的埋土防寒措施，既節(jié)省勞動(dòng)力又有利于土壤保護(hù)。

冬天不需要埋土越冬的葡萄 圖片來(lái)源：作者拍攝

隨著分子設(shè)計(jì)育種逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新常態(tài)，這種融合基因芯片與 AI 表型組技術(shù)的“精準(zhǔn) 高效”模式，正在以前所未有的速度培育出更優(yōu)質(zhì)、更抗逆的作物新品種。葡萄育種不僅效率實(shí)現(xiàn)飛躍，其風(fēng)味、抗寒性等關(guān)鍵性狀也得以精準(zhǔn)優(yōu)化，為產(chǎn)業(yè)注入了新的活力。

整合高密度芯片與高通量表型實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄關(guān)鍵農(nóng)藝性狀的遺傳結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)解析 圖片來(lái)源：作者制作

更重要的是，這類(lèi)模式的應(yīng)用可以廣泛推廣到草莓、蘋(píng)果、柑橘等其它果樹(shù)的育種中，幫助培育在干旱、鹽堿、貧瘠等不利環(huán)境中依然健康生長(zhǎng)的新品種。這為開(kāi)發(fā)利用邊際土地提供了可能，讓原本難以耕種的土地也能煥發(fā)生機(jī)，拓展了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新空間。

利用該項(xiàng)成果，有望通過(guò)精準(zhǔn)定制作物的抗逆性狀，讓每一寸土地都發(fā)揮價(jià)值，讓每一棵果樹(shù)都承載希望，推動(dòng)農(nóng)業(yè)逐步從“靠天吃飯”邁向“科學(xué)定制”，為構(gòu)建多元、可持續(xù)的食物供給體系提供堅(jiān)實(shí)支撐。