果實開裂是自然界中的常見現(xiàn)象，從進(jìn)化上來講“瓜熟蒂落”有助于種子的傳播和植物的繁衍。從產(chǎn)業(yè)上來講，田間和采后的果實開裂，都將大大降低經(jīng)濟(jì)效益和消費(fèi)價值。
果實開裂造成巨大產(chǎn)量損失（左：田間裂瓜導(dǎo)致減收或絕收；右：西瓜豐收對比）
從另一個方面講，果皮的耐裂性與果肉品質(zhì)緊密連鎖，導(dǎo)致了“耐裂品種不優(yōu)質(zhì)，優(yōu)質(zhì)品種不耐裂”的現(xiàn)象。因而，西瓜果皮堅硬耐裂同時果肉清脆爽口成為了一個重要育種目標(biāo)。這樣一來從田間到餐桌，瓜農(nóng)好種、經(jīng)銷商好賣、消費(fèi)者覺得好吃，三全其美。
經(jīng)過多年研究，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張明方教授課題組*發(fā)現(xiàn)了與新鮮果實耐裂相關(guān)的基因，不僅為進(jìn)一步闡明果實耐裂性機(jī)理提供了新見解，同時也有利于加速耐裂優(yōu)質(zhì)品種的精準(zhǔn)育種，為通過分子標(biāo)記輔助育種等技術(shù)改良西瓜品種的耐裂性提供了重要的靶標(biāo)基因。
西瓜皮耐不耐裂，這次找到了評價指標(biāo)
果實裂果是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍發(fā)生的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響果實的產(chǎn)量和商品性。西瓜在生產(chǎn)和物流過程中均易出現(xiàn)裂果現(xiàn)象，每年田間和物流階段的產(chǎn)量損失巨大。
西瓜從唐代經(jīng)古絲綢之路進(jìn)入中國，也歷經(jīng)自然選擇和人工培育，但卻一直沒有很好的體系評價西瓜皮的耐裂性，傳統(tǒng)的育種家采用感官評價，捏一把或者刀切一下，這種方法*憑育種者的經(jīng)驗，育種效率低，無法解析果實耐裂機(jī)制，也很難打破“耐裂品種不優(yōu)質(zhì)”的桎梏。
如何把耐裂性狀用一個數(shù)值標(biāo)記出來，是張明方課題組這次研究的di一個亮點。他們通過質(zhì)構(gòu)儀選用不同形狀的探頭，測量了果皮硬度、破裂性、破裂率、破裂力做功等8個不同評價指標(biāo)。這些測量數(shù)據(jù)既涵蓋了傳統(tǒng)耐裂性判斷的指標(biāo)，更包含了很多傳統(tǒng)方法無法測量的指標(biāo)。“準(zhǔn)確量化耐裂性狀、精準(zhǔn)定位耐裂基因，能為培育耐裂品種提供重要的理論支撐，具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用前景。”
多個耐裂性狀指標(biāo)的共定位
張明方介紹，果皮硬度就是測量西瓜在破裂瞬間受到的力，破裂性就是機(jī)械穩(wěn)定施壓導(dǎo)致果實的主動破裂情況，破裂率就是同樣力切西瓜，會形成主動破裂周長。
根據(jù)這些前期指標(biāo)，科研人員用耐裂性顯著差異的西瓜進(jìn)行雜交，并對400多個西瓜f2代開展實驗性狀調(diào)查。科研人員在對159個隨機(jī)樣本進(jìn)行單株測序后發(fā)現(xiàn)，所有耐裂相關(guān)指標(biāo)都共同定位到西瓜的10號染色體上，而果皮硬度數(shù)據(jù)錨定的區(qū)域極為清晰精確。
在實驗的空隙，有趣的還是一起吃西瓜。“大家都圍著西瓜做研究，實驗后就圍著吃西瓜，評瓜品味，有些實驗的靈感就是來自于吃西瓜。”胡仲遠(yuǎn)說。
西瓜也有血型，這樣的瓜娃子好吃
在初步鎖定10號染色體后，課題組創(chuàng)新了單株染色體片段來源分析方法，利用f2個別在候選區(qū)域發(fā)生重組的個體以及他們的自交后代f3群體，通過耐裂表型和基因型關(guān)聯(lián)分析縮小候選區(qū)間，鎖定關(guān)鍵基因，科研人員發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在一個erf4 基因，是耐裂與否的重要因素。胡仲遠(yuǎn)表示：“只用雜交第三代就能精確定位到基因，這是用傳統(tǒng)基因定位方法無法做到的，都是得益于我們創(chuàng)新的表型評價體系和基因挖掘方法。”
在自然界的不同西瓜種質(zhì)的10號染色體上，存在兩種類型的等位基因erf4-a和erf4-b，與本實驗的耐裂親本擁有相同的erf4-a基因的西瓜基本都耐裂；而具有erf4-b基因的則表現(xiàn)為容易開裂；兼而有之的雜合類型，則表現(xiàn)為果皮堅硬，果肉較松脆。張明方用“血型”給這些西瓜樣本打了個比方，耐裂的如果是a型，那么就可以把不耐裂的比成b型，兼而有之的則是ab型。
通過創(chuàng)新研究方法實現(xiàn)耐裂基因的快速精準(zhǔn)定位
由于找到了耐裂性功能基因，課題組很快研發(fā)出分子標(biāo)記物，只要用一點點葉片提取dna進(jìn)行分析，就可以很快的測試出西瓜屬于哪個“血型”。在對已有的104個西瓜品種資源進(jìn)行驗證后，科研人員發(fā)現(xiàn)西瓜的“血型”可以很好地反映耐裂性。另一方面，張明方團(tuán)隊還對市面上銷售的30余份不同西瓜商品種進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)只有在設(shè)施栽培的西瓜品種中才會發(fā)現(xiàn)較多的“b型血”，而露地栽培的西瓜品種，基本上全是純合的a型或雜合的ab型。
這是因為“b型血”西瓜的果皮容易開裂，在露地栽培很容易受到雨水等不利因素刺激而發(fā)生田間果實開裂，所以在長期育種過程中，“b型血”被逐步淘汰了。而在設(shè)施栽培條件下，避雨設(shè)施為西瓜提供了保護(hù)，不耐裂的西瓜也能較好地生長，育種家們在選育優(yōu)質(zhì)品種的過程中，不知不覺地把不耐裂的“b型血”保留了下來，而耐裂的純合“a型血”由于常常聯(lián)鎖果肉較硬這一不良品質(zhì)，就很少被保留在設(shè)施西瓜品種里了。
“從我們的日常經(jīng)驗中也可以發(fā)現(xiàn)，在露天生長受到風(fēng)吹雨打，西瓜品種的果皮必需更加堅韌。”胡仲遠(yuǎn)說，“事實上在ab型的品種里，更有可能發(fā)現(xiàn)又耐裂又清脆好吃的西瓜。”
那么是什么讓a型和ab型西瓜更耐裂呢？
課題組繼續(xù)開展研究，他們發(fā)現(xiàn)erf4 基因是乙烯信號途徑的重要轉(zhuǎn)錄因子，從基因進(jìn)化角度和結(jié)構(gòu)特征判斷，該基因很可能調(diào)控細(xì)胞壁木質(zhì)素的生長和積累。“木質(zhì)素就好像細(xì)胞壁的鋼筋，形成銅墻鐵壁，讓細(xì)胞壁更堅固、更有韌性和硬度。”張明方說。
功能基因的進(jìn)化分析為功能預(yù)測和后續(xù)機(jī)理研究提供重要線索
精準(zhǔn)育種找到新方向
張明方介紹，功能基因的分子標(biāo)記為育種篩選帶來了新的可能。
在之前如果需要篩選品種，需要大量的人力物力栽培巨大的種群進(jìn)行大量的普查式的性狀研究，而有了分子靶標(biāo)，就可以先對各類品種資源進(jìn)行苗期篩選，再選擇帶有目標(biāo)基因的少量個體進(jìn)行田間種植。
比如耐裂優(yōu)質(zhì)西瓜的選育，我們不再需要在每個世代開展耐裂性選擇，只需選擇出a或ab血型的材料再開展田間種植，再從中選育果肉品質(zhì)佳又較耐裂的個體繁育后代。這樣不僅可以減少每季的種植量，而且不用擔(dān)心耐裂基因在育種過程中“丟失”，獲得目標(biāo)品種的時間也將大大縮短。“將自然界已有的優(yōu)質(zhì)基因篩選出來，進(jìn)而開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記，可以大大提高育種的精度和速度。”
不斷發(fā)掘抗逆、抗病、優(yōu)質(zhì)等相關(guān)功能基因，并利用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，將各種有益性狀高效地集合到我們的育種材料中，選育出田間-物流-餐桌“三全其美”的西瓜新品種，成為了張明方團(tuán)隊西瓜精準(zhǔn)育種的新方向。
本項目受國家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家自然科學(xué)基金等項目支持。