精準設計育種，加速新種質創制

人工智能，可期！

葡萄，因其獨特的風味和口感，深受人們喜愛。種下一粒葡萄種子，從種子萌發到結出果實，需要3年。而想要培育出“令人滿意的”葡萄品種，需要的時間更久。能否找到一種既“快速”又“簡便”的方法實現葡萄品種的“個性化”設計？育種家為此絞盡了腦汁。

　　中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）周永鋒團隊提出利用人工智能指導葡萄育種的新方法，有望大幅縮短育種周期，且預測準確度高達85%，相比傳統方法，育種效率可提高400%。該研究有望實現葡萄的精準設計育種，加速葡萄品種創新，并為其他多年生作物育種提供方法參考。近日，該研究成果發表在《自然·遺傳學（Nature Genetics）》上。

從2.0到4.0 葡萄育種技術“跨越”

　　“葡萄美酒夜光杯，欲飲琵琶馬上催。”這句千古流傳的詩句反映了當時人們對葡萄的喜愛。

　　有研究表明，1萬多年前，人們就開始嘗試“改造”葡萄，所謂“改造”，就是有選擇性地通過特定手段對原有葡萄性狀進行改良，這一過程又被稱為育種。

　　早期，人們發現野生葡萄后，會把品質優良的葡萄苗保存下來，通過一代又一代的繁育，只留下符合要求的后代，這種方法固然有用，但高度依賴自然種質資源，可改良程度有限，因此，被稱為育種1.0技術。

　　后來，人們發現如果既想要葡萄“產量高”，也想要“甜度高”，可以把“產量高”的葡萄品種和“甜度高”的葡萄品種進行雜交，以培育出聚合了雙親優良性狀的雜交后代。這種方法滿足了有針對性選育葡萄品種的需求，但育種周期十分漫長，往往需要經過數十年的篩選，工作量極大，且由于葡萄高度雜合，雜交后，后代會出現性狀分離，雜交效果并不理想。該方法被稱為育種2.0技術。

　　進入二十一世紀以來，隨著分子生物學、數量遺傳學、生物信息學等學科的興起，育種家提出育種3.0技術，即分子育種：通過分子標記來“設計”性狀；并在此基礎上，提出育種4.0，即智能設計育種：基于海量基因組和遺傳數據進行分析預測，以提高育種效率和精確度。全基因組選擇育種便是其中最具代表性的一種。

總長度1.43Gb 構建全面的葡萄泛基因組

　　目前，葡萄育種仍停留在2.0階段。要想實現從2.0到4.0的跨越，首先需要足夠全面、準確的基因組數據。為此，周永鋒團隊自2015年起，便開始聚焦葡萄的設計育種工作，并于2023年發布首個葡萄端粒到端粒完整參考基因組圖譜，相關研究以封面文章發表在《園藝研究（Horticulture Research）》上。然而，要實現精準“設計”，一個基因組數據遠遠不夠。

　　在此基礎上，周永鋒團隊又陸續對包括野生種和栽培品種在內的9個二倍體葡萄品種進行測序、組裝，得到18個端粒到端粒的單倍型基因組，并整合已有的基因組數據，構建了目前最全面、最準確的的葡萄泛基因組（Grapepan v1.0），總長度達1.43Gb，是單個參考基因組大小的近3倍。

　　為了進一步弄清楚葡萄基因與性狀之間的關聯，周永鋒團隊從近萬份葡萄品種中選取了400多份有代表性的葡萄品種，連續3年對包括果穗大小、漿果中代謝物含量、漿果大小和果皮顏色等在內的29個農藝性狀進行調查，構建了葡萄基因型圖譜和性狀圖譜。在此基礎上，周永鋒團隊利用數量遺傳學分析，鑒定到148個與農藝性狀顯著相關的位點，其中122個位點為首次發現。研究發現，調控不同性狀的位點間存在關聯性，如可溶性固形物含量和漿果寬度相關位點鄰近。此外，不同葡萄群體（釀酒、鮮食、美洲鮮食雜種）之間存在顯著分化的區域，這些區域中存在與漿果顏色、果皮澀味、漿果形狀、果穗重量、果肉硬度、果實大小等相關的多個性狀相關的遺傳位點，表明對農藝性狀歧化選擇促進了釀酒與鮮食葡萄的分化。

預測準確率高達85% 早期選擇更優化

　　全面、準確的基因組數據是精準“設計”育種的基礎，而如何深入挖掘這些數據來優化育種策略并指導育種，是智能育種必須回答的問題。周永鋒團隊決定引入機器學習，通過構建預測模型，根據評分進行早期個體的預測和選擇，從而指導、優化育種策略。

　　在研究中，研究人員將包含了性狀和基因型的數據劃分為3個子集：訓練集、驗證集和測試集。利用機器學習算法解析基因型與性狀數據間的復雜網絡關系，運用訓練數據集構建了首個葡萄全基因組選擇模型，研究進一步通過驗證集調整模型參數，對模型進行優化，最后測試數據集評估最終模型的性能。研究結果表明，結合了結構變異信息的多基因評分預測模型，其預測準確率高達85%。

　　通過這一模型，育種家可以快速準確地評估大量育種材料的遺傳潛力，從而更好地選擇優良品種。與雜交育種需要根據葡萄成熟后的表型作出判斷相比，全基因組選擇育種技術在葡萄幼苗時期就可以預測其成熟后的性狀，盡早剔除掉不符合條件的幼苗，減少了不必要的人工成本和投入，在葡萄育種應用中有很大的應用潛力，提高葡萄育種效率，加速葡萄新種質的創制，革新葡萄育種策略。

　　目前，相關研究成果已申請獲批國家發明專利6項，已申請國際專利1項。

　　（宋雅娟）