蘋果優質高效育種技術創建及應用*

魏景利，王 楠，張宗營，毛志泉，陳學森

（1 冠縣林業局，山東 252500）

（2 山東農業大學園藝科學與工程學院，國家蘋果工程技術研究中心，作物生物學國家重點實驗室）

品種是農業的“芯片”。突破性品種培育的關鍵在于優異種質創制和育種技術創新，而優異種質創制和育種技術創新關鍵在于遺傳基礎理論突破。因此，理論創新對于推動種業振興具有重要作用。在國家關于“堅持憑能力、實績、貢獻評價人才，克服唯學歷、唯資歷、唯論文等傾向”的人才評價機制改革及鄉村振興的大背景下，農業高校專業課教師或具有人才培養職能的科研院所科技工作者，要實現人才培養、科學研究和社會服務三位一體和同步提升，必須堅持“理論與技術創新并重”的科研思路。現將蘋果資源育種理論與技術創新及新品種培育的研究案例解讀如下，以供參考[1]。

我國蘋果面積、產量均占世界的50%以上，年產值超過2 000 億元，是鄉村振興、增加農民收入的支柱產業。針對擁有自主知識產權的優質品種缺乏和育種周期長等瓶頸問題，我們科研團隊以高類黃酮為主線，以新疆紅肉蘋果和紅富士評價挖掘與創新利用為研究重點，在蘋果資源與育種理論創新、紅肉蘋果優異種質創制、高效育種技術創建、特色多樣化新品種培育及其配套高效栽培與加工技術創新等核心技術實現了突破，取得了重要創新成果，獲2020 年度國家技術發明二等獎[2]。

1 紅肉蘋果育種理論與技術創新及新品種突破

1.1 紅肉蘋果育種理論與技術創新及其發明專利

1.1.1 優質品種親本溯源分析及果樹多種源品質育種法

對國內外育成的蘋果和梨等果樹優質品種進行親本溯源分析，結果發現，復雜的遺傳背景和目標性狀多樣性是品質育種親本選擇的關鍵。為此，我們發明了以新疆紅肉蘋果、紅富士和高類黃酮優異種質CSR6R6 等為關鍵雜交親本的“果樹多種源品質育種法”，實現了多個品質性狀（基因）的有效聚合及超親遺傳[3]。

1.1.2 蘋果高類黃酮形成機理與高類黃酮蘋果優異種質

研究了蘋果高類黃酮形成的分子機制，發現蘋果MYB12 能夠與bHLH3/33 互作調控黃烷醇的合成，而MYB22 能夠直接與FLS啟動子結合促進黃酮醇合成。在此基礎上，提出了全紅肉表型、分子標記及基因表達量檢測三結合的高效篩選方法，創制出高類黃酮蘋果優異種質CSR6R6，葉、花、果、肉均為深紅色，類黃酮含量為2.51 mg/g，抗氧化能力是白肉蘋果品種的7 倍；平均單果重204 g，肉質細脆，果實發育期120 d，為紅肉蘋果育種提供了關鍵親本[4-6]。

1.1.3 基因表達特性分析與易著色蘋果品種培育法

明確了新疆野蘋果是世界栽培蘋果的祖先種及新疆紅肉蘋果轉錄因子MsMYB10 基因的組成性表達特性，發明了“一種易著色蘋果品種培育法”，培育的蘋果新品種（系）果面光潔光亮，易著色，可免套袋。同時創建了行間生草免套袋輕簡化栽培技術，為我國蘋果免套袋栽培技術體系創建提供了技術支撐[7-9]。

1.1.4 雜種后代遺傳變異特點與“三選兩早一促的蘋果育種法”

構建了新疆紅肉蘋果與紅富士等蘋果品種雜種分離群體，明確了雜種后代品質性狀遺傳變異特點，發明了“三選兩早一促的蘋果育種法”，即選新疆紅肉蘋果與紅富士蘋果雜交（一選），雜交種子在溫室內早播種育苗（一早），初果期從F1群體篩選紅脆肉株系早雜交（二選二早），選留紅色葉片的雜交二代實生苗定植于選種圃（三選），前促后控縮童期促結果（一促），就是在實生苗的童期采取農業措施，加速實生苗的營養生長，使實生苗盡快達到一定的高度（節位）；當實生苗達到一定的高度（節位）后，采用樹干環剝等措施，控制實生苗的營養生長，促進開花結果。利用該方法從雜交二代分離群體中選育出美紅等高類黃酮蘋果新品種，育種年限由傳統方法的20 年縮短至15 年[10]。

為保障育種計劃及相關技術的順利實施，課題組組建了3 個基地及其30 余人組成的產學研協同創新團隊，并明確了任務分工：泰安橫嶺育種基地及研究生團隊，主要任務是負責紅富士等蘋果品種與新疆紅肉蘋果雜交一代分離群體的定植與管理，雜交一代分離群體中的紅肉脆肉株系花粉采集及在泰安溫室或組培室進行雜種實生苗培育；山東煙臺牟平基地及團隊，主要任務是采用課題組前期研發的“連被去雄法”進行雜交授粉及雜交果實的采集；冠縣育種基地及其團隊，主要任務是負責新疆紅肉蘋果雜交二代實生苗的定植與管理、高類黃酮（紅肉）蘋果新品系的選育、品種（系）比較試驗及區域栽培試驗。

1.2 紅肉蘋果新品種的培育

利用紅肉蘋果育種技術發明專利群及雜交二代分離群體，育成了易著色免套袋、酥脆多汁、酸甜可口的幸紅、福紅、美紅、滿紅等紅肉蘋果新品種，填補了我國紅肉蘋果品種的空白，克服了鮮食紅肉蘋果紅色之愛普遍存在的酸澀問題，實現了新疆野蘋果資源的利用保存[11-14]。

2 蘋果紅色芽變（紅皮）機理與育種技術創新及新品種培育

2.1 芽變選種推動了世界蘋果產業優質高效發展

雜交育種主要是通過親本的選配，利用其基因組的基因分離、組合、互作和修飾獲得雜種優勢，培育全部性狀都得到改良的新品種；而芽變選種是體細胞突變，也是“優中選優”，主要是利用芽變的重演性特點，對生產中的主栽品種個別性狀進行持續改良。美國于1880 年從自然雜交的偶然實生苗中選育出元帥，經過持續5 代的芽變選種，先后選育出紅色及紅色短枝芽變品種123 個，形成了龐大的元帥系芽變品種群，使元帥的外觀品質、市場競爭力及結果性能得到顯著提升，解決了元帥蘋果著色差和極性強、成花難的問題，成為美國蘋果產業的主栽品種，并創建了世界著名的“蛇果”品牌，有力推動了美國蘋果產業的優質高效發展。針對從日本引進的長富2 號等紅富士品種著色差的問題，經過持續5 代的芽變選種，我國先后選育出紅色及紅色短枝芽變品種20 余個，形成了龐大的富士系芽變品種群，使長富2 號果實的著色、風味品質及生長結果習性等性狀得到了有效改良，“好看、好吃、好賣、好管”，實現了國外品種的本土化，極大地推動了我國蘋果產業的優質高速發展[15-16]。

2.2 蘋果紅色芽變機理和育種技術創新及新品種選育

進一步以長富2 號（第2 代）、煙富3 號（第3代）和煙富8 號為試材研究發現，MYB1 啟動子甲基化水平與果皮花青苷含量呈顯著負相關，揭示了蘋果紅色芽變DNA 甲基化差異及花青苷合成的分子機制，蘋果AGO4s 識別MYB1 啟動子的ATATCAGA 序列并招募DRM2s 對MYB1 啟動子進行CHH甲基化修飾，MYB1 進而調控花青苷結構基因及轉運蛋白GSTF6，影響花青苷的合成。在此基礎上，發明了基于MYB1 啟動子甲基化水平檢測的蘋果精準芽變選種技術[17-20]。

利用該技術對果農和基層技術干部采用“一把尺子，一桿秤，用牙咬，用眼瞪”常規方法在蘋果園里發現的蘋果紅色變異進行了分子鑒定，其中有2 個紅色變異被確認為紅色芽變。因此，不經過初選程序，2 個紅色變異直接參加了品種比較試驗和區域栽培試驗等復選程序，實現了對紅色變異的早期、快速、準確鑒定，并最終選育出龍富和元富紅等蘋果芽變新品種，育種年限縮短了2～3 年。其中，龍富易成花，果實易著色，品質優；元富紅果實寶石紅色，全紅果比率在98%以上，品質優。這2 個品種均已在我國蘋果主產區廣泛種植，解決了我國蘋果產業主栽品種著色差的問題。

由于紅色短枝芽變品種屬于DNA 甲基化引起的表觀遺傳，長富2 號等品種的晚熟和耐貯性狀始終沒有改變，從而構建了以優質、耐貯、晚熟富士系芽變品種群為主的中國蘋果產業品種結構，是保障14 億中國人新鮮蘋果周年供應最經濟有效的技術途徑。因此，在未來很長的一段時間，紅富士芽變品種群占我國蘋果產業半壁江山的格局不會改變[21-22]。

3 蘋果育種技術拓展應用及山農酥梨新品種培育

發現新疆庫爾勒香梨優質、耐貯特性的遺傳能力強，以遺傳背景復雜的品種作為雜交母本，容易獲得較強的雜種優勢。因此，利用“果樹多種源品質育種法（ZL201510428448.8）”等蘋果育種技術，以遺傳背景復雜、含有新疆庫爾勒香梨血緣的新梨7 號為母本，以碭山酥梨為父本，育成了中國第1個優質、耐貯、極晚熟、抗氧化梨新品種山農酥，平均單果重460 g，果心小，果個大；質地細密、酥脆，可溶性固形物含量14.8%，品質優；常溫下存放2 個月，仍保持酥脆品質，耐貯藏；果實發育期180 d 左右，極晚熟；切開后72 h 不褐變，抗氧化（維生素C 含量高），已經成為更新換代品種，解決了碭山酥梨等主栽品種“晚熟而不優質”的問題，受到市場和消費者的普遍歡迎，發展勢頭強勁，在山東聊城、菏澤、濟南、泰安及江蘇、河北和安徽等地推廣3 333 余hm2，成為魯西一帶主栽品種，推動了中國梨產業優質高效發展（圖1）[23-24]。

圖1 美紅蘋果和山農酥梨親本圖譜

山農酥梨選育這一案例說明，“果樹多種源品質育種法”等蘋果育種技術在果樹中具有普適性。