油橄欖品種“豆果”果實(shí)。 張建國(guó)供圖

油橄欖樹種是可以產(chǎn)生高效益的植物，葉子的提取物可以作為化妝品和醫(yī)藥的重要原材料，生產(chǎn)出的橄欖油更是含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分而備受喜愛(ài)。為了滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需求，油橄欖育種工作一直在進(jìn)行。

不過(guò)，我國(guó)的油橄欖育種還處在傳統(tǒng)育種階段，尚未進(jìn)入到分子育種階段，其主要原因之一就是缺乏高質(zhì)量的油橄欖基因組圖譜。

近日，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所（以下簡(jiǎn)稱林業(yè)所）對(duì)油橄欖進(jìn)行了全基因組序列測(cè)定，獲得了高質(zhì)量的染色體級(jí)別基因組圖譜，并繪制了油橄欖的橄欖苦苷和羥基酪醇生物合成通路，為油橄欖的遺傳改良以及提質(zhì)增效提供了重要的理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《園藝研究》上。

外來(lái)品種“水土不服”

近年來(lái)，我國(guó)油脂消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)，需求缺口不斷擴(kuò)大，食用油主要依賴進(jìn)口，自給率不到40%，對(duì)外依存度還在明顯上升，這嚴(yán)重制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

食用油安全是我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品戰(zhàn)略保障的重要內(nèi)容，發(fā)展木本油料產(chǎn)業(yè)是提高我國(guó)食用植物油自給率、增加高端優(yōu)質(zhì)食用油源、增加農(nóng)民收入、建設(shè)美麗中國(guó)的重要舉措。國(guó)家高度重視木本油料等特色經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

“木本油料不與糧食爭(zhēng)地，不僅僅能榨油，還具有種質(zhì)資源豐富、抗逆性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)，已成為緩減我國(guó)油脂進(jìn)口依賴度高的最有效的途徑之一。”論文第一作者、林業(yè)所副研究員饒國(guó)棟在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，木本油料既是經(jīng)濟(jì)樹種，也是生態(tài)樹種，是一年栽種多年收益的優(yōu)秀種質(zhì)資源。

他認(rèn)為，發(fā)展木本油料生產(chǎn)，還能鞏固和擴(kuò)大林權(quán)制度改革成果，有利于增加山區(qū)農(nóng)民收入，還可利用樹木防風(fēng)固沙，保持水土，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

油橄欖是我國(guó)重要的木本油料樹種，是國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》中明確提出的10個(gè)木本油料植物之一，具有巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。

“油橄欖原產(chǎn)于地中海沿岸國(guó)家，我國(guó)是上世紀(jì)五六十年代開(kāi)始大規(guī)模引種，但都相繼出現(xiàn)了‘水土不服’的情況。”論文通訊作者、林業(yè)所研究員張建國(guó)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

張建國(guó)介紹，地中海屬于冬雨型氣候，這保證油橄欖收獲后適量的雨水供應(yīng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。我國(guó)屬于夏雨型氣候，與地中海的氣候差異巨大。“水土不服”會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低、不開(kāi)花結(jié)果等，因此需要進(jìn)一步馴化、選擇和育種。“只有選出適合我國(guó)的品種，才能實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。”

染色體級(jí)別的基因組

我國(guó)栽培油橄欖有近60年歷史，但因品種、產(chǎn)量、加工等限制，種植面積曾出現(xiàn)大幅度下降。“油橄欖育種工作進(jìn)程緩慢，還處于傳統(tǒng)育種階段，相對(duì)比較滯后。”張建國(guó)指出，急需從更高技術(shù)層面，從分子水平入手，加快和強(qiáng)化品種選育速度。

由于油橄欖在全球受到廣泛關(guān)注，之前在2016年和2017年分別由土耳其和意大利科研人員以二代測(cè)序技術(shù)為主測(cè)定了油橄欖基因組，但是結(jié)果并不好。

獲得高質(zhì)量基因組的最大難點(diǎn)在于基因組的組裝。“油橄欖的雜合度非常高，加上重復(fù)序列很多，造成基因組拼接難度極大。”饒國(guó)棟表示，大基因組、高雜合度、重復(fù)序列多導(dǎo)致那兩次測(cè)定的基因組質(zhì)量較差，還不能完全滿足分子育種的需求。

張建國(guó)介紹，他們這次是將第三代測(cè)序和HiC技術(shù)相結(jié)合，對(duì)適合于高密度栽植和機(jī)械化采收且豐產(chǎn)性很好的油橄欖品種“豆果”進(jìn)行了全基因組序列測(cè)定。

“為了獲得最佳的組裝效果，我們還采用了七種方法對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，最終獲得了更完整、更精確的染色體級(jí)別的基因組圖譜。”饒國(guó)棟說(shuō)，“將組裝結(jié)果與歐洲的二代測(cè)序結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，我們的基因組質(zhì)量有數(shù)百倍的提高。”

我國(guó)油橄欖主要分布于水資源極度緊缺的甘肅隴南地區(qū)，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致油橄欖生長(zhǎng)的抑制、減產(chǎn)、種植和生產(chǎn)成本增加，甚至還會(huì)導(dǎo)致油橄欖樹的死亡。干旱已成為影響油橄欖造林成活率、適生區(qū)拓展、優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)的重要制約因素。

在張建國(guó)看來(lái)，這張“高清地圖”，為我國(guó)將來(lái)選育出抗旱、耐澇、耐瘠薄、抗寒、豐產(chǎn)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油橄欖品種奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

解析特色代謝物及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

油橄欖的主要產(chǎn)品為橄欖油，被譽(yù)為“液體黃金”“植物油皇后”“地中海甘露”，是全球知名的高端食用植物油，它以鮮果通過(guò)物理冷壓榨工藝提取，是世界上唯一以自然狀態(tài)的形式供人類食用的木本植物油。

那么，橄欖油究竟好在什么地方？

張建國(guó)介紹，因?yàn)槠浜懈吆康膯尾伙柡椭舅嵋约按罅康亩喾拥忍厣珷I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。他們研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成油橄欖的主要脂肪酸有六種，占總體脂肪酸含量的95%以上，分別為油酸、亞油酸、亞麻酸、硬脂酸、櫚油酸以及棕櫚酸。

“橄欖油之所以被全球廣泛認(rèn)可，原因之一就是其高含量的單不飽和脂肪酸油酸，挖掘油酸合成代謝關(guān)鍵基因首先需要厘清油酸合成代謝的調(diào)控節(jié)點(diǎn)。”饒國(guó)棟說(shuō)。

以往研究的關(guān)注點(diǎn)大都為成熟果實(shí)中油酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)，而該課題組的研究首次揭示了油酸的積累是從開(kāi)花后80天就到達(dá)了峰值，其比例占總脂肪酸的75%以上，這為研究油酸合成代謝關(guān)鍵基因的挖掘奠定了基礎(chǔ)。

接下來(lái)，課題組對(duì)油橄欖不同發(fā)育時(shí)期基因表達(dá)進(jìn)行研究，挖掘關(guān)鍵調(diào)控基因。最終，他們依據(jù)油橄欖果實(shí)不同發(fā)育時(shí)期關(guān)鍵代謝物變化和基因表達(dá)規(guī)律，構(gòu)建了油橄欖特色代謝物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

油橄欖的特色營(yíng)養(yǎng)成分是橄欖油區(qū)別于其他植物油的主要因素，也是高品質(zhì)橄欖油的重要指標(biāo)。“這些特色營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括山楂酸、羥基酪醇、橄欖苦苷、角鯊烯等。”張建國(guó)表示，它們不僅在保護(hù)人體健康方面起重要作用，還為橄欖油提供了特別香味和口感。

“其中的橄欖苦苷和羥基酪醇是橄欖油中最重要的營(yíng)養(yǎng)成分，它們對(duì)人體的主要功能有抗氧化、軟化血管、降低膽固醇、降血糖等，同時(shí)它們還是橄欖油特別苦味和辣味的來(lái)源。”饒國(guó)棟說(shuō)。

一直以來(lái)，高橄欖苦苷和羥基酪醇含量的油橄欖品種的選育方法都是以雜交育種為主，還沒(méi)有進(jìn)入到分子育種階段，比如全基因組選擇育種。要開(kāi)展分子育種工作就需要高質(zhì)量的基因組和相關(guān)代謝物生物合成通路的解析。

目前為止，關(guān)于橄欖苦苷和羥基酪醇生物合成通路的研究以代謝物本身的化學(xué)合成及推導(dǎo)為主，通路關(guān)鍵中間產(chǎn)物和基因信息不足。

“基于此，我們對(duì)油橄欖不同組織橄欖苦苷和羥基酪醇合成通路關(guān)鍵代謝物含量及結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行分析，并利用上述測(cè)定的高質(zhì)量基因組信息確定了202個(gè)基因參與了橄欖苦苷和羥基酪醇生物合成，這些結(jié)構(gòu)基因的數(shù)量是已發(fā)表研究的兩倍。”饒國(guó)棟介紹。

最終，他們結(jié)合關(guān)鍵代謝物含量變化及結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)繪制了油橄欖橄欖苦苷和羥基酪醇生物合成通路。“這將為油橄欖的全基因組選擇育種、關(guān)鍵基因篩選、基因功能等的研究奠定基礎(chǔ)，還將加速我國(guó)油橄欖分子育種的進(jìn)程。”張建國(guó)說(shuō)。張晴丹