日本李型品种生殖表型与S基因分型揭示亲和性关系及新型S等位基因

《Scientia Horticulturae》：Reproductive phenotyping and S-genotyping reveal compatibility relationships and novel S-alleles in modern Japanese plum-type cultivars

　　

通过对44个现代日本李型栽培品种进行生殖表型分析和S基因分型，研究人员揭示了其亲和性关系并鉴定了新型S等位基因。结果表明，11个品种表现为自交亲和，4个品种呈现雄性不育表型。基于S基因分型，研究人员建立了37个品种的亲和性关系，并鉴定出三个新型S等位基因和一个候选等位基因。这些结果为授粉品种选择提供了遗传兼容性评估依据。

论文解读：日本李型品种生殖表型与S基因分型研究

一、研究背景与科学问题

李子是全球广泛种植的核果类果树之一，其中日本李（Prunus salicina Lindl.）及其商业杂交种通常为二倍体，采用配子体自交不亲和（GSI）机制防止自花受精并促进异花授粉。这一机制由单个多态性S位点控制，雌蕊组分由S-RNase基因编码，花粉特异性则由S-locus F-box基因决定。大多数商业化日本李品种为自交不亲和，因此明确其自交（不）亲和性及遗传兼容性关系对于果园设计、授粉树配置及育种亲本选择至关重要。

然而，随着国际育种计划的持续推进，2005至2025年间欧盟植物品种办公室共注册了132个新品种，但许多新发布品种的自交（不）亲和性和S基因型尚未被表征，这给果园规划和兼容授粉树的选择带来了困难。此外，对先前未指派的S等位基因进行鉴定，可提高分子基因分型的范围和准确性。本研究旨在结合自交（不）亲和性评估与S基因分型，确定44个日本李型品种的生殖响应和基于S基因型的兼容性关系，并对分析中发现的新S等位基因进行表征。

二、关键技术方法

研究人员从美国Zaiger Genetics、南非ARC-Infruitec和Stargrow三个育种计划获得44个日本李型商业品种的植物材料，分别种植于西班牙的三个种质资源圃。主要技术方法包括：（1）半体内自花授粉实验，通过荧光显微镜观察花粉管生长情况，判断品种的自交（不）亲和性；（2）基于PCR的S基因分型，利用两对引物扩增S-RNase基因第一内含子区域，并通过毛细管电泳进行片段大小分析；（3）对无法通过PCR片段大小明确指派的S等位基因，进一步采用克隆和Sanger测序以及全基因组测序（WGS）和从头组装进行序列鉴定。

三、研究结果

3.1 基于花粉管生长的自交（不）亲和性响应

通过对40个产粉品种进行自花授粉后的花粉管生长观察，研究人员将11个品种判定为自交亲和（SC），27个品种为自交不亲和（SI），2个品种（'Honey Lucas'和'Honey Moon'）结果不明确（NC）。另有4个品种（'Candy Heart'、'Festival Red'、'Flavor Supreme'和'Sweet Pixie'）因花药开裂后无花粉粒而表现出雄性不育表型（AS）。统计分析显示，SI与SC品种在柱头花粉萌发率上无显著差异，但在所有与花粉管推进相关的变量上均存在极显著差异，表明不亲和反应发生在花粉管生长阶段。主成分分析（PCA）显示，SC和SI品种沿连续梯度分布而非形成完全离散的聚类。

3.2 基于PCR的S等位基因鉴定

利用两对引物对S-RNase基因第一内含子进行扩增和毛细管电泳，研究人员在参考品种中验证了已知等位基因的片段大小。通过联合使用两对引物，成功鉴定了大部分品种的S等位基因，但有四个等位基因的片段大小与任何已知S等位基因不符，被暂命名为S_u、S_v、S_w和S_x。

3.3 未解决S等位基因的表征

通过对'Splash'、'Sweet Pixie'、'Sweet Treat'和'Bella Gold'四个品种进行克隆和Sanger测序，并结合'Sweet Pixie'和'Sweet Treat'的全基因组测序数据从头组装，研究人员获得了完整的S位点序列。结果显示，在'Sweet Pixie'中发现了与Prunus cerasus SFB₁和Prunus cerasifera S₁₄-RNase高度同源的新等位基因S_v；在'Sweet Treat'中发现了与Prunus armeniaca SFB₈和P. cerasifera S₅-RNase高度同源的新等位基因S_u；在'Bella Gold'中发现了与Prunus persica S₂单倍型高度同源的新等位基因S_w。这些序列已提交至GenBank。

3.4 S基因型与品种间不亲和关系

研究人员成功鉴定了37个品种的S基因型，其余7个品种因缺乏合适叶片材料或DNA质量不足未能完成基因分型。33个品种的S基因型匹配到此前描述的35个不亲和组中的9个组。另外4个品种携带此前未指派的等位基因组合，形成了4个新的S基因型谱（S_eS_v、S_hS_v、S_eS_u和S_wS_x），无法归入任何已知的不亲和组。在所有37个品种中，检测到7个已知S等位基因、3个经序列鉴定的新S等位基因（S_u、S_v和S_w）以及1个候选S等位基因（S_x）。频率最高的等位基因为S_b（59.5%的品种中出现，等位基因频率29.7%）、S_c（54.1%，27.0%）、S_e（32.4%，16.2%）和S_h（27.0%，13.5%）。

四、讨论与结论

本研究首次对44个现代日本李型品种的生殖响应进行了全面表征。研究发现25.0%的品种为自交亲和，61.4%为自交不亲和，9.1%表现雄性不育表型，4.5%结果不明确。自交亲和品种中，'Fall Fiesta'携带此前被认为与自交亲和性相关的S_e等位基因，但S_e也存在于多个自交不亲和品种中；同样，自交亲和品种'Flavor Finale'、'Glory Red'和'Late Blue'携带的S_b等位基因也在自交不亲和品种中出现。这表明日本李中自交亲和性的分子基础较为复杂，不同S单倍型均可与自交亲和性相关，且同一等位基因在不同遗传背景下可能表现出不同的自交（不）亲和性表型。

研究人员得出结论：本研究通过结合花粉管生长分析与S等位基因分子鉴定，为新近发布的种质资源提供了自交（不）亲和性响应和基于S基因型的兼容性关系信息，为授粉树选择和育种计划提供了重要参考。研究中发现的三个新型S等位基因和一个候选等位基因扩展了日本李S等位基因库，提高了分子基因分型的覆盖范围和准确性。这些结果有助于将持续的品种更新转化为商业果园可靠的授粉方案。