葡萄是世界上僅次于柑橘的第二大果樹作物，而我國則以葡萄產量全球第一、種植面積全球第二的規模穩居產業龍頭。然而，在氣候變化引發的極端天氣沖擊下，傳統的葡萄品種糖酸平衡受到破壞，品質隨之下降，“顏值”與“風味”面臨巨大挑戰。因此，我們亟需培育具有環境韌性的高抗優質新品種。

為了達成這一目標，科學家們一直在努力尋找育種的“加速器”。近期，國家植物園南園葡萄與葡萄酒科學研發團隊開發了一種結合基因芯片技術和 AI 表型組平臺的新方法，能夠快速定位控制葡萄性狀的關鍵基因，精準評估性狀信息，以加速抗逆性強、風味更佳的葡萄品種的培育過程。

高密度基因芯片——

葡萄的“基因身份證”

此前，通過人工雜交育種的方法選育新品種不僅耗時長，而且效率低。這主要是因為，一方面在傳統育種過程中需要通過播種種子的方法得到新的葡萄藤，從播種到結果需要 3~5 年的時間（童期）；另一方面，葡萄品種的基因組也具有較高的雜合度，雜交獲得后代表現很難預測，通常需要萬里挑一才能獲得一個優異的品種。

因此在作物遺傳改良研究中，科學家們一直希望能像“查字典”一樣快速定位控制重要性狀的基因。隨著技術發展，基因芯片應運而生，它能夠利用已知序列的 DNA 片段定位目標基因，并利用片段中的探針檢測出哪個堿基發生了變異，進而在“字典”中對該變異進行篩選。國際上葡萄基因芯片探針數一般為幾千到幾萬不等。

在普通基因芯片基礎上，該團隊進一步開發了高密度基因芯片。該芯片借助 313 份葡萄基因組數據設計而成，能夠覆蓋葡萄全部的 19 條染色體，其標記密度達到每 2.8 千堿基一個位點，即在葡萄基因組上，平均每隔 2800 個堿基就設置了一個遺傳標記檢測點，比現有國際芯片的標記密度高出 10 倍。

高密度基因芯片就像一臺高效的“基因雷達”，它可以掃描整個葡萄基因組，幫助我們精準定位重要性狀的基因。

葡萄基因芯片 圖片來源：作者拍攝

AI 表型組平臺——

葡萄的“智能體檢儀”

除了“基因雷達”，研究人員還搭建了配套的葡萄“智能體檢儀”——AI 表型組平臺。它利用圖像識別技術，能在 1~2 秒內掃描一顆葡萄的 124 項特征，比如大小、形狀和顏色，并智能分辨葡萄位置、朝向，并迅速從高度多樣化的育種群體中海選出最優秀的潛力品種，徹底改變了過去靠人工測量效率低、誤差大的局面。

此外，這個平臺還能用降維算法進行“性狀翻譯簡化”——把復雜的顏色深淺、果形變化等性狀表現轉化為統一的數字指標，讓不同品種之間的比較更加科學、標準。未來，這套系統還將配備高光譜、熱紅外等先進傳感器，可以捕捉更多隱藏的性狀信息，讓葡萄的“健康報告”更加全面詳細。

葡萄表型組平臺  動圖來源：作者制作

成果應用：

從“靠天吃飯”到“科學定制”

研究人員通過運用這個新型育種利器，發現了名為 VaNAC08 的關鍵抗寒基因，它如同葡萄中的“抗凍開關”，通過激活下游基因 VaRFS6，促進葡萄細胞內棉子糖（一種天然防凍劑）的積累。實驗表明，當這個基因過表達時，葡萄細胞在低溫下的存活率顯著提高，并減少了電解質泄漏。這意味著未來品種可普遍不再需要傳統的埋土防寒措施，既節省勞動力又有利于土壤保護。

冬天不需要埋土越冬的葡萄 圖片來源：作者拍攝

隨著分子設計育種逐漸成為現代農業的新常態，這種融合基因芯片與 AI 表型組技術的“精準 高效”模式，正在以前所未有的速度培育出更優質、更抗逆的作物新品種。葡萄育種不僅效率實現飛躍，其風味、抗寒性等關鍵性狀也得以精準優化，為產業注入了新的活力。

整合高密度芯片與高通量表型實現對葡萄關鍵農藝性狀的遺傳結構精準解析 圖片來源：作者制作

更重要的是，這類模式的應用可以廣泛推廣到草莓、蘋果、柑橘等其它果樹的育種中，幫助培育在干旱、鹽堿、貧瘠等不利環境中依然健康生長的新品種。這為開發利用邊際土地提供了可能，讓原本難以耕種的土地也能煥發生機，拓展了農業生產的新空間。

利用該項成果，有望通過精準定制作物的抗逆性狀，讓每一寸土地都發揮價值，讓每一棵果樹都承載希望，推動農業逐步從“靠天吃飯”邁向“科學定制”，為構建多元、可持續的食物供給體系提供堅實支撐。

參考文獻

[1]Zhang Y, Wang Y, Henke M, Carbonell‐Bejerano P, Wang Z, Bert P, Wang Y, Li H, Kong J, Fan P, Dai Z, Liang Z, 2025. Integrating dense genotyping with high‐throughput phenotyping empowers the genetic dissection of berry quality and resilience traits in grapevine. Advanced Science, 2412587.

審核 | 代占武