生物育種技術(shù)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)步的基石，在提升作物產(chǎn)量、增強(qiáng)抗病性及優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等方面起著不可或缺的作用。然而，這一過(guò)程卻面臨著多重挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)育種方法效率低下、周期長(zhǎng)，以及遺傳背景復(fù)雜、基因定位困難等問(wèn)題。

在全 球糧食安全需求日益迫切和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代趨勢(shì)下，中國(guó)生物育種技術(shù)正在進(jìn)行一場(chǎng)深刻的轉(zhuǎn)型與革新，從早期依賴馴化和雜交的傳統(tǒng)育種方式逐步過(guò)渡到現(xiàn)代分子育種與智能設(shè)計(jì)育種階段。這一跨越的核心在于揭示并掌握植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中蘊(yùn)含的遺傳法則，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定性狀的精 準(zhǔn)定向育種。

為此，海南大學(xué)三亞南繁研究院/熱帶農(nóng)林學(xué)院王守創(chuàng)課題組開(kāi)展了深入研究，并近期在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Horticultural Research上發(fā)表了題為“A metabolomics study in citrus provides insight into bioactive phenylpropanoid metabolism”的研究論文。該研究通過(guò)應(yīng)用基因編輯和分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，加速了優(yōu)良基因的篩選，并通過(guò)代謝組學(xué)和基因組學(xué)手段解析了柑橘次生代謝物合成途徑，為品質(zhì)改良提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能優(yōu)化育種策略，提高了育種效率和精 準(zhǔn)度。

專家解讀核心信息

王守創(chuàng) 

教授

海南省領(lǐng)軍人才（C 類人才），入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程第五屆項(xiàng)目，海南省“515 人才工程”。熱帶生物學(xué)報(bào)和 Frontiers in Plant Science 編委。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院兼職博士生導(dǎo)師，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院特聘研究員。主要從事植物代謝組學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用研究，以水稻、番茄和藥 用植物為研究對(duì)象，以代謝組學(xué)為切入點(diǎn)，綜合運(yùn)用生物信息學(xué)、基因組學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多種手段，致力于代謝組學(xué)檢測(cè)新技術(shù)與代謝數(shù)據(jù)人工智能分析方法的開(kāi)發(fā)，以及植物重要天然產(chǎn)物生物功能的解析。實(shí)驗(yàn)室前期工作發(fā)表在 Cell、Molecular Plant、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、Current Opinion in Plant Biology、Trends in Genetics、SCIENCE CHINA Life Sciences、New Phytologist 等國(guó)際主流期刊上，部分研究成果入選 “十三五”期間農(nóng)業(yè)科技標(biāo)志性成果和“2019 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展”。

柑橘作為全 球農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系中的核心水果品類，其產(chǎn)業(yè)地位無(wú)可替代。然而，柑橘類的育種工作卻面臨著多重艱巨挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)育種方法的低效與周期過(guò)長(zhǎng)、抗逆性與產(chǎn)量品質(zhì)難以同步提升，以及由于遺傳背景復(fù)雜所帶來(lái)的基因定位困局，這些都極大地阻礙了高品質(zhì)柑橘品種的培育和推廣，進(jìn)而限制了整個(gè)柑橘產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化升級(jí)。對(duì)此，王守創(chuàng)教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)不畏艱難，深入探究柑橘次生代謝物合成路徑，以期通過(guò)代謝組學(xué)和基因組學(xué)的雙重手段破解品質(zhì)改良難題。他們展開(kāi)了一系列精密且全面的研究。

1、代謝組學(xué)與 mGWAS 分析

探秘柑橘代謝譜差異

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)各類柑橘物種展開(kāi)了全面而詳盡的代謝組學(xué)分析，對(duì)比了不同柑橘品種間的代謝特征，特別關(guān)注了它們?cè)诜宇惐檠苌锎x途徑上的變化。研究采用 FaST-LMM 和 EMMAX 方法，通過(guò)對(duì) 154 個(gè)柚子品種進(jìn)行基于代謝物的全基因組關(guān)聯(lián)分析 (mGWAS)，系統(tǒng)解析了代謝組變異背后的遺傳和生化機(jī)制。

圖 1. 基于 FaST-LMM和EMMAX 的 mGWAS 分析

2、候選基因位點(diǎn)與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

挖掘關(guān)鍵基因與調(diào)控機(jī)制

研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了柚子的代謝物-單核苷酸多態(tài)性-基因交互網(wǎng)絡(luò)，成功鑒定出多個(gè)控制生物活性化合物合成與調(diào)節(jié)的關(guān)鍵候選基因位點(diǎn)，其中包括參與黃酮糖苷馬龍基化的 BAHD 馬龍?；D(zhuǎn)移酶家族成員。此外，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名 為CgMYB1 的 R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子，其對(duì)柑橘尤其是柚子中酚類丙烷代謝分子具有顯著正向調(diào)控作用，尤其影響黃酮類化合物衍生物質(zhì)的合成。

圖 2. 代謝物-單核苷酸多態(tài)性-基因交互網(wǎng)絡(luò)示意圖

3、柑橘品質(zhì)改良的靶向策略

瞄準(zhǔn)柑橘品質(zhì)提升

該研究深入剖析了柑橘中豐富的次生代謝產(chǎn)物，如類黃酮、黃酮醇、類胡蘿卜素等對(duì)人體健康極其有利的物質(zhì)合成路徑。通過(guò)對(duì) CgMYB1 等轉(zhuǎn)錄因子的研究，確認(rèn)了它們對(duì)柑橘中酚類化合物生物合成的重要調(diào)控作用。該研究不僅豐富了我們對(duì)柑橘特別是柚子中復(fù)雜黃酮糖苷衍生物生物合成路徑的認(rèn)識(shí)，還提供了改善柚子營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的潛在目標(biāo)，并為未來(lái)柑橘育種工作提供了一套高效解剖代謝途徑的方法。

圖 3. CgMaTs 轉(zhuǎn)錄因子的識(shí)別與功能分析示意圖

4、LC-QTOF 高分辨液質(zhì)技術(shù)

助力代謝網(wǎng)絡(luò)解析與活性成分解析

在研究過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)柑橘類樣本中代謝物的精 準(zhǔn)鑒定與量化分析，科研團(tuán)隊(duì)采用了 Agilent 液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（LC-QTOF）技術(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行高分辨率數(shù)據(jù)采集。得益于此，研究得以高效對(duì)比和確認(rèn)柑橘果實(shí)中的各種代謝物信息，從而更深入地揭示柑橘水果內(nèi)部豐富的生物活性成分，并成功構(gòu)建了詳細(xì)的代謝網(wǎng)絡(luò)。

圖 4. 基于液相聯(lián)用高分辨質(zhì)譜的代謝網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，王守創(chuàng)教授（第 一作者）及其團(tuán)隊(duì)的研究不僅拓展了我們對(duì)柑橘中復(fù)雜酚類化合物代謝途徑的認(rèn)知邊界，也為提升柑橘品質(zhì)、培育更加健康美味的柑橘新品種提供了扎實(shí)的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。這一研究的成功實(shí)施充分體現(xiàn)了生物育種在解析植物遺傳密碼、優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面的巨大潛能和深遠(yuǎn)意義，為今后的生物育種科技創(chuàng)新的持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

1.Shouchuang Wang, Shuangqian Shen, Chao Wang, Xia Wang, Chenkun Yang, Shen Zhou, Ran Zhang, Qianqian Zhou, Huiwen Yu, Hao Guo, Weikang Zheng, Xianqing Liu, Juan Xu, Xiuxin Deng, Qiang Xu, Jie Luo, A metabolomics study in citrus provides insight into bioactive phenylpropanoid metabolism, Horticulture Research, Volume 11, Issue 1, January 2024, uhad267.