14年前，周永锋去芬兰求学时对葡萄还一无所知。随后他从松树转向葡萄，专注研究葡萄10年。3年前，周永锋回国成为中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）的研究员。
也正是在那一年，他震惊地第一次目睹，贺兰山的果农们把巨大的葡萄藤埋入3米厚的土层下抵御寒冷。
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11月4日，《自然-遗传学》在线发表周永锋团队的论文，他们在葡萄中首次实现了全基因组选择育种的新方法，将大幅缩短育种周期，且预测准确度高达85%，育种效率比传统方法提高400%。该研究有望实现葡萄精准设计育种，加速葡萄品种创制，并为其他多年生作物育种提供方法参考。
周永锋做出这一亮眼的成果用了3年。3年，恰恰是葡萄从种下一颗种子到第一次开花结果的时间。
从松树到葡萄
2007年，周永锋在兰州大学读硕士时研究的是松树，松树20年才能结果。“完成实验设计后，20年后再见，育种成为遥遥无期的事。”周永锋说。
2010年，周永锋拜入研究松树的芬兰奥卢大学教授、群体遗传学家Outi Savolainen门下。“选择松树作为多年生作物遗传改良的突破口是一条我曾经走过的‘弯路’，但在这条弯路上，我很幸运遇到了我的导师。他在群体遗传学方面颇有建树，使我得到了非常严格的训练，获益匪浅。这成为我今后利用群体遗传学和数量遗传学知识改造多年生作物的基础。”
就在周永锋找工作之际，美国加州大学教授、进化基因组学家Brandon Gaut开始关注多年生作物的育种问题。周永锋得知后非常想加入他的团队。
“Gaut觉得葡萄等多年生作物的问题很大、研究很落后，而且多年生作物中有很多未被挖掘的基因资源‘富矿’，研究潜力很大。”周永锋凭借扎实的群体遗传学背景进入Gaut的视线，于2015年成为Gaut第一个从事葡萄研究的博士后。
葡萄的“逆天”秘密
葡萄是一种多年生作物。一个育种家在其科研生涯中只能做8至10代葡萄，这对培育新品种来说远远不够。
多年生作物往往基因组杂合度很高，育种水平还停留在2.0时代，“分子标记都没有用上”。周永锋说，水稻、玉米、大豆这些作物的育种已经进入了4.0时代。在从事博士后研究的5年里，周永锋有了惊人发现。
新疆吐鲁番葡萄沟里种植的葡萄“无核白”已经无性繁殖了2000多年。人们不断扦插、嫁接，但从来没有进行过杂交。“我们今天种植的葡萄品种还是2000多年前的葡萄。”周永锋说。
周永锋发现，葡萄两套单倍型基因组的差异巨大。“它们的差异高达15%，而人类和大猩猩基因组的差异只有1%。”2019年，这一结论在《自然-植物》发表后，掀起了轩然大波。
“当时我们学校很多搞人类基因组研究的科学家都感到难以置信，跑到我们实验室询问这项研究。”周永锋说，如果仅从基因组上看，简直就像两个跨属的物种发生了杂交，然而这种情况在自然界中是不可能发生的。
由于葡萄长期无性繁殖，保留了大量体细胞变异，这种变异并不会通过杂交重组而被“剔除”，从而造就了两套基因组之间“逆天”的差异。
这项研究让从事杂交马铃薯基因组设计育种研究的中国科学院院士、基因组所研究员黄三文注意到了周永锋。
“黄老师问我为什么选择做葡萄研究，而不是水稻、玉米、小麦那些一年生的大作物。”周永锋回答，因为水稻、拟南芥等模式作物的遗传模式完全不适合无性繁殖的作物。如果要改造后者，就必须搞清楚它们的遗传模式，开发新的育种手段。
就这样，2021年，周永锋成为基因组所唯一研究葡萄的课题组长（PI）。
一跃进入4.0育种时代
要想在葡萄上实现10多年前周永锋设想的全基因组选择育种，首先要找出最有代表性的核心种质资源。
葡萄有1万多个品种。“我们从中选择了400多份核心种质，既能代表葡萄的多样性，又能代表典型特色，如制干、酿酒、鲜食等。”在国家葡萄产业技术体系的支持下，周永锋课题组顺利完成了两年的葡萄表型调查工作。
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随后，他们对表型数据和基因组数据进行深入挖掘，确定了大量控制葡萄重要生产性状如果实大小、含糖量、酸含量、香气等的基因。
“葡萄很多重要性状是数量性状，由多基因控制，往往没有主效基因。”周永锋说，控制单宁这一葡萄酒中最重要的风味物质的基因就是如此。
“全基因组选择育种体系有很多优势。”周永锋说，首先是人工智能在葡萄性状预测方面表现出极高的精准度。团队训练的人工智能模型，已经能够对单宁这种数量性状进行预测，准确率高达85%。
这一方法大大节省了时间。传统育种6年才能获得两代葡萄，而全基因组选择育种依靠基因编辑技术改变作物开花时间，可以实现6年6代葡萄。在葡萄幼苗时期，先通过基因测序得到它的基因型，再利用人工智能模型预测性状。
该方法显著减少了人力和物力投入。如果杂交后获得300颗种子，全部种下去起码需要十几亩地，还需专人栽培养护。而全基因组选择育种仅需将小苗种在培养盆中，待其发芽即可。
这使育种效率得到极大提高。传统育种一次约可选择两三百个表型特征，而全基因组选择育种技术一次可选择上万甚至十几万种表型特征。
这样的方法让葡萄迅速迈入育种4.0时代，且可以用在其他多年生或无性繁殖作物上。论文评审人说，无论是对基因组学研究还是对葡萄育种来说，这一工作都极具吸引力和意义。
如何“打”赢进口酒
2021年，贺兰山的葡萄景象让周永锋大为震惊。
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那是他第一次亲眼看到，入冬之际，果农把巨大的葡萄藤埋入3米厚的土层下抵御寒冷；来年春天，他们再将其从厚土层下挖出、扶起。
酿酒葡萄一般生长在南北纬30°至50°之间的温带地区，这里的葡萄酒庄往往都种植着几十年、上百年的粗壮的老葡萄藤。而在我国北方，很难看到老葡萄藤，因为过大、过粗的藤条埋土越冬更为费力。
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“我们的葡萄酒为什么‘打’不过进口酒？”周永锋说，现代国产葡萄酒成本居高不下的主要原因是，一半以上的成本来自每年埋土越冬。到岸原瓶进口葡萄酒大约50元，而本土产葡萄酒成本却达不到一瓶50元以下。
周永锋坚信能够在耐受零下40摄氏度的东北山葡萄中发现抗寒基因，改良我国葡萄品种，使其更具抗寒、抗冻性，无需采用冬季埋土保护的栽培方式。这将是大幅降低我国葡萄酒生产成本的一个重要解决方案。
此外，我国丰富的野生葡萄资源中富含多种酚类物质，这也是葡萄酒的风味物质。他们将从上万份野生资源中挖掘改良葡萄风味的基因。
“我今年刚好40岁，还能干20多年才退休，可以做20多代葡萄。我希望在退休前为解决葡萄酒的产业问题作出一些贡献。”周永锋说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41588-024-01967-5
《中国科学报》(2024-11-08第1版要闻)
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