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水果通过提供微量营养素、抗氧化和生物活性物质来促进人体营养和健康安全，因此鲜食水果及其研发产品的需求量正逐步提升。传统育种方法在果实品质、产量和抗性等方面培育了诸多优良品种。综合利用多倍性育种、诱变育种、分子标记辅助育种、离体组培、转基因和基因编辑等策略培育优良果树品种，可能是未来较为有效的育种新策略。近期，发表在Horticulturae 期刊的综述论文，概述了离体组培和基因编辑在果树改良育种中的最新研究进展。

图1. 常规育种、转基因和基因编辑策略在果树改良育种中的比较示意图。

研究内容 

· 离体组培

离体组培是作物种质资源保存、脱毒苗的培养、优良种质的快繁、体细胞胚胎发生、体细胞克隆变异和转基因苗培育等的坚实技术支撑。体细胞胚胎发生和植物组织培养在芒果、香蕉、开心果、苹果、木瓜、咖啡和椰枣等果树的体外繁殖和遗传转化方面具有巨大潜力。

相较于器官发生，体细胞胚胎发生具有高扩繁率、可研制为高通量生物反应器、合成种子等优势。此外，胚胎细胞培养在非嵌合子代的获得、快速分离扇区型嵌合体方面具有突出优势。在过去二十年间，通过体细胞胚胎发生和胚胎悬浮细胞体系实现了特定植物的大规模繁殖，说明这一体系在微繁产业中具有极高的潜能。目前，利用香蕉雄花尖建立的胚胎悬浮细胞体系，已成功应用于合成种子的研制，以及突变体、转基因植株和基因编辑植株的培育等 (图2)。

图2. 香蕉胚胎悬浮细胞体系的建立及应用。

植物组织培养为多种果树的微繁提供了技术支撑，包括草莓、番木瓜、香蕉、葡萄、菠萝、柑橘、番茄、黄瓜和西瓜等。基于组织培养的茎尖培养技术通过大量的体外繁殖和优良种植材料的培育，在香蕉等商业作物的微繁产业中发挥了重要作用。然而，保持无性繁殖植物种群的遗传一致性，已成为微繁产业的一个突出问题。脱分化细胞、原生质体和愈伤组织等在离体组培过程中常发生遗传变异现象，被Larkin和Scowcroft称为“体细胞克隆变异”。

尽管体细胞克隆变异对维持优良种质微繁中遗传一致性有影响，然而在诱导果树理想性状遗传变异方面仍有较高的应用潜能。目前已利用体细胞克隆变异培育出多个果树新品种，例如产量高、品质优的甜橙系列新品种 (原文表1)。体细胞克隆变异结合体外选择的策略已作为果树改良育种中筛选优良性状的有力手段。

· 转基因

基于遗传转化的基因组工程对作物改良育种的助推逐渐加强，其中农杆菌介导的遗传转化结合组织细胞培养、体细胞胚胎发生和植物再生等体系应用广泛。自第一个转基因番茄Flavr Savr^TM商业化后，一系列抗病害、非生物胁迫能力提升、生长模式改变及果实品质提升的果树转基因种质材料被成功培育，例如过量表达AtNHX1的猕猴桃植株的耐盐性显著增强 (详见原文)。

近年来，在主要粮食作物中，转基因作物的种植面积和经济效益在不断增加。据ISAAA报道，2019年全球有29个国家、1.904亿公顷土地种植转基因作物，是1996年170万公顷的112倍左右。这些转基因作物包括了少量果树，例如抗病番木瓜、南瓜、苹果和菠萝等。

· 基因编辑

同源/异源转基因、RNAi和基因编辑等新的育种方法为靶向性状改良提供了极大助推力。利用同源转基因/RNAi已培育出抗白粉病的苹果、抗CPsV的甜橙等 (原文表2)。基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术也应用于多种果树研究，包括番茄、猕猴桃、苹果、葡萄、葡萄柚、甜樱桃、草莓、柑橘和香蕉等。例如利于CRISPR/Cas9技术敲除CsLOB1启动子上PthA4结合位点EBS序列，赋予了“晚锦橙”突变体显著增强的溃疡病抗性 (原文表3)。由SNPs操控的果树性状相关的遗传变异，则可由单碱基替换来进行基因编辑。

Buchholzer和Frommer统计了全球基因编辑作物的研究进展，发现美国和其他几个国家已将基因编辑作物归类为非转基因作物，等同于传统育种培育的作物；包括俄国、美洲中部和南部的一些国家、非洲的两个国家、中国和印度等已为在农业中采用基因编辑作物制定了新的指导方针；欧洲、英国和瑞士也提出免除基因编辑作物受转基因法规监管的指导方针。

尽管基因编辑已成功应用于果树作物育种，然而仍存在诸多挑战需进一步开展研究：包括某些果树缺乏注释的基因组、基因组较大、离体组培的周期长、转化效率具有基因型依赖性、缺少完善稳定的遗传转化体系，以及因多倍性而存在多个同源基因等；且作者认为果树的主效基因仍存在众多未知，这将显著限制基因编辑对于目标性状的改良效果。

原文出自 Horticulturae 期刊

Penna, S.; Jain, S.M. Fruit Crop Improvement with Genome Editing, In Vitro and Transgenic Approaches. Horticulturae 2023, 9, 58.

撰稿人：殷学仁

 专栏简介 

“晓果仁”专栏由Horticulturae 期刊编委殷学仁教授 (浙江大学) 主持。该专栏旨在对Horticulturae 期刊的典型论文进行点评与推荐，同时关注果树研究的最新进展。

专栏编辑

殷学仁 教授

浙江大学农业与生物技术学院

浙江大学农业与生物技术学院教授、博士生导师。曾先后承担国家自然科学基金 (优秀青年基金、面上项目、青年基金)、国家重点研发计划课题、公益性 (农业) 行业专项 (课题)、霍英东教育基金会青年教师基金、973计划 (子课题)、863计划 (子课题)、浙江省自然科学基金 (杰出青年基金)、教育部博士点基金等基金项目。

研究兴趣：果实发育与品质、果实采后生物学与技术、果树与环境响应、植物激素及其相互作用、分子生物学。

Horticulturae 期刊介绍

主编：Luigi De Bellis, University of Salento, Italy

期刊重点关注温带到热带园艺的所有领域以及相关学科，主题包括果树、蔬菜、花卉、苗圃和风景以及草药和香料作物等，研究涉及整个园艺供应链。

2021 Impact Factor：2.923

2021 CiteScore：1.8

Time to First Decision：14 Days

Time to Publication：35 Days