柿的遺傳多樣性及育種研究進展

羅正榮，張青林，徐莉清，郭大勇

(園藝植物生物學教育部重點實驗室/華中農業大學園藝林學學院，湖北武漢 430070)

中國是柿(DiospyroskakiThunb.)的原產地，也是世界范圍內柿樹栽培歷史最悠久、面積最大和年產量最高的國家[1]。中國大陸、日本、韓國和巴西是柿的傳統產區。近年來，西班牙的柿生產規模增長較快，年產量已躍居世界第2位。其他有商品生產的國家還有阿塞拜疆、烏茲別克斯坦、意大利、以色列、新西蘭、澳大利亞、智利及美國等。在部分國外尤其是日本學者的文獻中，柿被認為是東亞原產[2]，其英文名稱常被寫成“Japanese persimmon”[3]，柿的原產地還存在著一些爭議。柿的園藝學分類始于19世紀末，日本學者藤井將其歸于仁果類[4]，后來菊池將其另立為假仁果類[5]。中國曾將其與棗單列為柿棗類[4]。此外，俞德浚根據果實結構和利用特點將其歸為漿果類[5]。但歐美早期的園藝學分類體系，通常未包含柿、棗、楊梅等東亞果樹。柿的園藝學分類尚未取得完全一致意見。有關柿屬植物遺傳多樣性及其利用研究進展，羅正榮等早期曾有論及[6]。筆者重點對柿的遺傳多樣性及育種研究中的若干問題進行探討，以期引起相關專家或同行關注。

1 柿屬植物及其利用途徑的多樣性

柿屬植物數量較多，但不同時期和不同作者的報道很不一致。俞德浚認為近200種，中國原產15種[5]；李樹綱則認為共約500種，中國原產57種、6變種和1變型[7]。

柿屬植物用途廣泛、尤其適合加工。羅正榮等曾總結其作為木材(烏木和陰沉木)、果實(鮮食和加工)、藥用、觀賞以及茶飲等方面的應用途徑[6]。王勇等總結柿單寧結合金屬和蛋白質，抗氧化、抗菌，作為皮革鞣制劑，可用作生物降解材料的輔劑，以及改性聚丙烯酸系高分子吸水樹脂制備等新的應用領域[8]。最近，以柿單寧為主要原料的除異味劑、護膚品和洗浴用品，如抗菌牙膏、美容香皂、保濕的洗發水和沐浴露等已經上市[9]。此外，柿單寧在吸附和回收重金屬離子方面的效應也引起廣泛關注[10]。

尤其值得注意的是，在中國長期存在爭議的柿“醉酒”(drunken sickness)或“醒酒”(dispel the effects of alcohol)問題最近有了新的進展。日本島根大學Itamura教授團隊證明，在飲酒前30 min食用脫澀后的西條果實(主產于日本島根縣一帶的完全澀柿地方品種，單果重約150～200 g)1個或柿餅(含水量32%)2個，可有效抑制飲用日本清酒后血液中酒精濃度的上升，具有防止醉酒或減輕“隔日醉”(宿醉)的作用[11]；基于該功能開發出的“晚夕飲力”(banyu-inryoku)清涼飲料產品(50 mL/瓶)已經上市[9]。此外，華中農業大學李春美教授團隊通過離體人工胃液模擬、活體動物試驗、志愿者試食及產區調查等系列研究發現，健康成人每日食用2個恭城水柿(鮮重約400～500 g)不會導致“結石”(gastric phytobezoar，又稱“胃柿石”)[12]。因此，食用脫澀后的澀柿及可自然脫澀的甜柿，對胃部無基礎性疾病的消費者而言發生“胃柿石”風險極低。

新型冠狀病毒肺炎發生后，抗病毒藥物篩選在世界范圍內取得一定成效。據2020年9月15日《ANN》電視臺報道，日本奈良縣立醫科大學的研究者發現柿單寧具有使新冠肺炎病毒無害化的功能，在人類唾液和新冠病毒的混合液中加入高濃度柿單寧后，成功抑制了病毒活性(圖1)，可望開發出相關產品并用于新冠肺炎預防。推測其作用機制可能是柿單寧被吸附在新冠肺炎病毒表面蛋白質上，從而使其喪失感染能力，但具體作用機制目前尚不完全明晰。

圖1 2020年9月15日ANN電視新聞畫面(截屏)

2 柿屬植物染色體倍性多樣性

柿屬植物主要分布在熱帶或亞熱帶。溫帶分布的除柿外，還有美洲柿(DiospyrosvirginaniaL.)、君遷子(DiospyroslotusL.)、油柿(DiospyrosoleiferaCheng)和老鴉柿(DiospyrosrhombifoliaHemsl.)等少數種類。柿屬植物染色體倍性已經明確的約占10%，其中在熱帶或亞熱帶分布的多為二倍體(2n = 2X=30)；但其向北亞熱帶和溫帶的遷移過程中，染色體加倍后形成栽培柿(2n=6X=90，2n=9X=135)。盡管其細節尚不完全清楚，但其演化過程大概率地涉及2n配子參與。

通過2n花粉途徑形成合子胚后，由于胚乳平衡數不正常，必須幼胚搶救培養才能獲得雜交后代；而2n卵細胞與正常花粉受精后可產生種子而無需幼胚培養。因此，柿屬植物從2倍體向6倍體或9倍體的演化過程可能與2n卵細胞的參與有更加密切的關系。Zhuang等發現平核無和宮崎無核等品種為天然9倍體(2n=9X=135)，表現為3倍體的染色體行為和偽單性結實特性，且生長發育正常[13]。京都大學學者發現不完全甜柿品種禪寺丸含有2n花粉，采用細胞篩過濾出2n花粉并授粉次郎，采用幼胚搶救培養可獲得9倍體[14]；通過該途徑，日本福岡縣的科技人員成功獲得世界首例無核和大果的9倍體完全甜柿[15]。京都大學Tao教授團隊證明日本原產完全甜柿品種藤原御所能產生未減數胚囊[16](圖2)。因此，以藤原御所為母本，以正常減數分裂的花粉供體為父本，可望在不需要幼胚搶救培養的前提下獲得9倍體無核甜柿新種質。上述成果不僅為栽培柿起源和演化研究提供了新的科學依據，也為柿的遺傳改良奠定技術基礎。

圖2 日本甜柿品種藤原御所具有未減數胚囊的形成能力[16]

中國中部大別山區原產的中國羅田甜柿鮮食口感佳，但其果小、籽多的缺陷限制其直接作為果實商品的應用價值。利用2n配子的倍性操作途徑可望實現其定向遺傳改良，最終培育出具自主知識產權的大果、無核中國甜柿新品種。

3 柿品種脫澀類型多樣性與甜柿起源

柿在植物分類學上屬單一種，但其種下變異極為豐富[6]。首先，柿有完全甜柿(pollination constant & non-astringent persimmon，PCNA，簡稱甜柿)和非完全甜柿(non-PCNA，簡稱澀柿)之分，甜柿自然脫澀的程度，澀柿自然或人工脫澀的難易均有差異；其次，柿的果實形狀、大小、肉質、果皮底色和面色、果肉褐斑有無和程度、種子有無與數量、單寧細胞大小與密度、果實成熟期，以及采后果實的加工適應性等也呈現出明顯的差異；而且，柿既有只著生雌花或雄花的完全雌株或完全雄株，也有雌雄同株異花的雜性株，以及雌雄同花的完全花株。此外，柿與君遷子的嫁接親和性也存在從形態學到生理學的廣泛差異。

完全甜柿被認為由完全澀柿(pollination constant & astringent persimmon，PCA)直接突變而成，且中國甜柿和日本甜柿為獨立起源。日本甜柿(JPCNA)和中國甜柿(CPCNA)自然脫澀受不同基因位點控制，前者為促進單寧生物合成的A基因發生隱性突變而致，后者則與抑制單寧生物合成的B基因有關；非完全甜柿的果實脫澀與控制揮發性產物釋放的C基因相關[17]。

日本甜柿起源地狹窄，其遺傳一致度較高，長期的雜交育種已經在單果重、產量和樹勢等方面表現明顯的近交退化現象[17]。而且日本甜柿自然脫澀性狀受隱性基因控制，其與非完全甜柿雜交F1單株均為非完全甜柿，即使與日本原產完全甜柿回交，其BC1代中僅出現15%完全甜柿(六倍體遺傳特點)。因此，相對獨立起源且自然脫澀性狀受顯性單基因控制的中國甜柿在完全甜柿遺傳改良中具有重大的利用價值。

中國甜柿自然脫澀關鍵基因尚不完全清楚，華中農業大學柿團隊最近鑒定到一個R2R3-MYB轉錄因子DkMYB14，其既可作為轉錄抑制因子抑制單寧(原花青素)的生物合成，又可作為轉錄激活因子促進乙醛的生物合成，從而促進可溶性單寧向不溶性單寧的轉變。因此，DkMYB14具有轉錄激活和轉錄抑制的雙重功能[18]。

4 柿的花性多樣性及性別決定機制與單性結實品種培育

柿的花性非常復雜。從單花水平看，有雄花、雌花和完全花等3種類型。從個體水平看，可分為完全雄株(僅著生雄花)、完全雌株(僅著生雌花)、雌雄同株異花(雌花和雄花共存)、雌全同株(雌花和完全花共存)、雄全同株(雄花和完全花共存)、三全同株(雄花、雌花和完全花共存)和完全花株(僅著生完全花)等7種類型。最近，柿屬植物性別決定機理的研究取得突破性進展[19]。二倍體的君遷子(2n=2x=30)Y染色體上包含有雄性性別決定區域，其中的1個性別決定基因OGI(Oppressor of MeGI)編碼小RNA并特異剪切MeGI(Male Growth Inhibitor)使植株表現雄性；在6倍體的栽培柿(2n=6x=90)中，OGI啟動子區域的268 bp Kali片段插入可導致OGI沉默，并使MeGI啟動子發生甲基化而促進smMeGI產生，從而使MeGI表達受到抑制，最終表現為雄花發育。因此，雌雄同株異花栽培柿的性別表現在不同年份和單株間不太穩定(圖3)。

Akagi利用君遷子F1代雄性/雌性性狀分離群體，通過集團分離分析法-擴增片段長度多態性(BSA-AFLP)技術篩選到一個與雄性性狀緊密連鎖的分子標記DlSx-AF4S[20]。張平賢等發現該標記對已知性別試材的鑒別率達96.6%；在已知花性的F1代個體中的鑒別率可達90.2%[21]。Zhang利用君遷子的OGI 標記，發現其在50份已知性別基因型中的鑒別率為100%；在F1代單株中的鑒別率89.5%。說明DlSx-AF4S和OGI標記在柿屬植物性別鑒定中具有較高的通用性[22]。利用上述兩個標記，可望在早期篩選僅開雌花的F1單株，從而在選育單性結實的完全甜柿新種質中應用。

圖3 柿屬植物性別進化模型圖[20]

5 小結

完全甜柿是世界范圍內產業發展和品種選育的重點目標，但其主栽品種均源自日本，與中國作為原產國和產業大國的地位不符。且日本甜柿的土壤適應性較差，尤其是優質品種與中國傳統產區普遍采用的砧木君遷子嫁接親和性較差。而且，日本甜柿核心親本的遺傳一致度較高，長期的雜交育種已經面臨近交退化的困境。此外，日本甜柿自然脫澀性狀受隱性基因控制，只有日本甜柿間相互雜交才能獲得完全甜柿后代。

中國甜柿包括羅田甜柿、鄂柿1號、小果甜柿、寶蓋甜柿和四方甜柿等多種類型，集中分布在中國中部的湖北、河南、安徽等三省交界的大別山區。中國甜柿與日本甜柿在果實發育的早期單寧細胞較小且果實成熟期均可在樹上自然脫澀的特點類似，但中國甜柿自然脫澀在果實成熟前才能完成。與日本甜柿僅靠“稀釋效應”完成自然脫澀過程明顯有別，中國甜柿的自然脫澀過程可能與果實成熟前由乙醛介導的可溶性單寧的不溶化過程(簡稱“凝固效應”)具有更直接的關系。因此，以優質日本甜柿或主栽非完全甜柿為母本，以中國甜柿為父本，通過常規雜交和分子標記早期選擇可望快速獲得兼具兩者優良性狀的甜柿新種質。此外，選育與君遷子嫁接親和的優質甜柿品種,也是中國柿產業可持續發展亟待解決的關鍵問題。