机器学习+群体遗传组学 我国科学家揭示葡萄驯化背后的基因秘密

中国网讯（记者 王静）北京时间6月6日，《美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋课题组在葡萄群体遗传学与育种领域的最新研究成果“Adaptive and maladaptive introgression in grapevine domestication”(葡萄驯化过程中适应与不适应的基因渐渗)。

该研究首次利用机器学习手段，结合溯祖模拟、正向模拟和进化保守性等群体遗传学方法揭示了葡萄风味的形成机制，解析了驯化对葡萄基因组的影响，进一步阐明了葡萄的驯化历史。该研究有助于葡萄野生资源的利用，为下一步葡萄培育提供理论支持。

酿酒葡萄风味的形成

葡萄起源于西亚地区，很快便遍及到世界各地。我国西汉时期，就有张骞出使西域带回葡萄的记载。王翰在《凉州词 》中写道“葡萄美酒夜光杯”，说明葡萄在唐代已是酿酒的主要原料。

千百年来，人们为何对葡萄酒如此痴迷？决定葡萄酒的风味因子究竟是什么？

“一千种葡萄就有一千种风味”，道出了决定风味的关键要素——葡萄品种。

为何源于欧洲的酿酒葡萄品种更为流行？

研究人员基于深入的群体基因组学分析，发现这与来自欧洲野生葡萄的基因渐渗（即等位基因从一个物种或种群向另一个物种或种群的流动）密切相关。研究人员分析了包括主要栽培品种、野生葡萄在内的三百多份重测序数据，对群体间的分化历史、渐渗强度和时间进行了准确详尽的研究，采用溯祖模拟，不仅再次印证葡萄驯化的一万多年历史，更进一步的细化了欧洲、近东地区野生葡萄和鲜食、酿酒葡萄之间的驯化和分化历史。

研究发现在近两千年左右，栽培葡萄尤其是酿酒葡萄与欧洲野生葡萄有持续的基因交流（即杂交过程）（图1）。基于机器学习的群体遗传分析，研究发现在整个酿酒葡萄基因组上1.82%的区域来自欧洲野生葡萄的渐渗，而这些区域富集到多种代谢途径基因，表明欧洲野生葡萄对酿酒葡萄的香味等性状产生了重要影响。

今人不见古时酒 今酒曾经醉古人

栽培葡萄主要通过克隆繁殖。有研究发现，部分现代葡萄品种就是欧洲中世纪品种的克隆个体。换言之，现存的部分葡萄栽培种可能保留了古时候的样子，从某种意义上来说，我们品着和古人同样的酒。然而，即便是克隆个体，它们的基因序列却并非一成不变，在不断的克隆繁殖中，变异会以杂合态的形式在基因组中不断积累，影响着葡萄的育种。在实生苗培育过程中，研究人员发现用葡萄的种子种出的后代很难成活，部分原因就是克隆繁殖引起的后遗症。

借助正向模拟，研究人员展示了杂交发生后渐渗位点在克隆群体和异交群体中的动态变化过程。研究发现，短期内克隆繁殖能更快地选择有利变异，清除有害变异，但不管是有利还是有害变异，最后保留下来的变异大部分都以杂合态的形式存在于基因组中。而从长远角度看，异交繁殖的选择则更为彻底（图2）。该研究揭示了基因变异隐藏在不同繁殖方式背后的变化规律。

培育优质葡萄品种

目前，作物育种技术已发展到4.0阶段（全基因设计育种），即在育种过程中选择性的快速聚合有利变异、移除有害变异，从而达到快速高效育种的目的。然而现代育种技术在葡萄育种过程中的应用十分有限，葡萄育种暂时还停留在2.0阶段，主要原因是缺乏基因参考信息，仍依赖于大规模杂交筛选育种。

我国拥有丰富的野生葡萄资源，葡萄属下70多个种中我国就有近40种。如何充分利用这些野生葡萄的丰富基因资源、加快落实现代育种技术的应用和培育优良葡萄新品种是现阶段最主要的葡萄育种目标和策略，具有巨大的商业潜力。

综上所述，该研究揭示了野生葡萄对栽培葡萄品质的影响，以及外源基因引入后在基因组上的选择过程，阐释了有利、有害变异在葡萄基因组上的分布特征，并提供了大量与葡萄风味、抗性等相关的基因位点，为现代育种技术在葡萄中的应用提供了重要的理论支持。