无籽水果和蔬菜

背景

种植、销售和食用的果实基本上是植物成熟的子房。在野外，结果实的植物通过将成熟的果实丢在地上或被动物吃掉然后排出种子来传播种子。美味的果实只是植物传递种子的机制。但从人类消费者的角度来看，种子可能会令人讨厌。例如，吐出坚硬、苦涩的种子会降低吃葡萄的乐趣。结果，园艺家开发了流行的水果和蔬菜的无籽品种。无核品种占美国葡萄市场的一半以上，无核脐橙是橙子产业的支柱，自 1990 年代推出以来，无核西瓜越来越受欢迎。无籽水果和蔬菜是通过细致的杂交育种生产的，可能需要数十年时间才能将新品种带入商业可行性。

历史

自农业出现以来，就已经进行了精心培育的植物以产生预期的结果，例如小种子或大果实。植物育种的科学基础在 19 世纪中叶随着 Gregor Mendel 的工作开始被理解。 1856 年，遗传学之父孟德尔 (Mendel) 第一个发表了他关于控制植物性状代际传递的统计规律的发现。孟德尔研究了他花园里豌豆植物的特定特征是如何传递给后代的，他提出了植物内某种负责遗传的单位的想法。他的工作闲置了一段时间，然后在二十世纪初迅速扩展。到 20 世纪中叶，研究人员已经确定遗传是通过基因传递的，基因表达导致特征性状的化学信息。对于无籽水果，了解更多遗传传递的细节很重要。植物和动物中的基因通常成对部署，称为等位基因。等位基因中的一个基因通常是显性的，另一个是隐性的。这意味着通常只有一个特征在生物体的生物组成中表达，尽管该特征仍然存在第二个基因。这很重要，因为生物体中的每个细胞在其细胞核中都携带着自己的完整遗传图谱，称为染色体。当细胞分裂时，染色体加倍，然后一个副本进入新细胞。例外是性细胞、卵子和精子。这些细胞只携带一半的遗传物质，即一条染色体，或每个基因对的一半。当卵子和精子相遇时，基因对重新组合，通过有性繁殖创造的新个体拥有一套新的全套遗传物质，其中一半遗传自父母双方。在传统的植物育种中，园艺家试图通过将两者都具有例如小种子的植物育种来优化性状。如果新一代植物继承了父母双方的小种子基因，那么它应该也有小种子，并且能够将这种性状依次传递给后代。许多因素使情况复杂化，因此在实际情况下，只有一小部分后代可能表现出所需的特征。

无籽橙子和无籽葡萄是种植天然无籽植物的结果。脐橙是 19 世纪在巴西的一个种植园中发现的一棵无籽橙树的后代。这棵树是一种突变，也就是说，它的遗传物质中的某些东西自发地发生了变化，从而产生了这种独特的植物。橙子种植者从原来的脐橙中培育出新树，因此今天市场上所有的脐橙都是从那棵巴西树的后裔。超市常见的绿色无籽葡萄源自欧洲无籽葡萄品种，该品种可能起源于黑海和高加索海之间。葡萄种植者将这个品种传播到世界各地，同一个品种以许多不同的名称存在。至少从 1872 年起，它就以 Thompson 的名义在美国种植。其他无籽葡萄品种，甚至是红色和黑色品种，也是汤普森的后代。 Thompson 有一种遗传异常，导致种子发育停滞。尽管花已授粉且卵子受精，但几周后种子停止生长。因此，葡萄并非完全无籽；相反，种子流产了，并作为果实内部的小斑点存在。商业种植者用一种称为赤霉素的生长激素处理植物，赤霉素通常由发育中的种子分泌。用荷尔蒙浸渍或喷洒花朵，这样尽管种子被截留，葡萄仍能长得又大又多汁。

1990 年代，无籽西瓜开始在美国市场大卖。除了食用水果时很少或没有黑色硬种子的便利外，新品种还具有坚硬的外壳，便于运输并延长保质期。无籽西瓜是不育的，也就是无籽的，因为它们有三组染色体。这种情况称为三倍体。标准西瓜，如汤普森葡萄和大多数其他生物，有两组染色体，被称为二倍体。为了生产三倍体西瓜，二倍体亲本由具有四条染色体的四倍体西瓜授粉。在有性繁殖过程中，新生物继承了父母双方遗传物质的一半。结果，新西瓜从二倍体亲本获得一条染色体，从四倍体获得两条染色体，使其成为三倍体。三倍体杂种实际上是无籽的。它产生的种子很少，可以种植这些种子来种植新的西瓜。但是新植物必须通过标准的二倍体西瓜授粉才能结出果实。

研发

开发一种新的无籽水果或蔬菜品系是一个艰苦的过程。研究通常由在农业发展实验室或政府研究站工作的园艺师进行，他们可以在那里投入数年的时间。一名研究人员研究了数千株幼苗，以寻找具有所需特征的幼苗。在寻找无籽品种时，还必须考虑其他因素。无籽水果如果味道不好、容易生病、畸形等，就没有商业可行性。水果必须和有籽品种一样好，无籽是一个额外的优势。因此，研究人员培育出可能的植物，研究后代，并将这些与其他可能的植物进行繁殖。 Flame Seedless（一种红色无籽葡萄）的开发者在探索过程中对 100,000 多株幼苗进行了试验。产生火焰的植物是五个不同品种的杂交。

培育无核果实的传统方法是将一株有种子的雌株与一株无核雄株杂交。后代大约有 15% 的时间是无籽的。然后可以从这 15% 中产生连续的一代。从 1980 年代开始，园艺家找到了通过培养无籽植物组织来加速这一过程的方法。对于葡萄，无核菌株的流产种子在培养皿或试管中生长。然后这些无籽品系可以与其他无籽品系杂交，产生 50-100% 无籽的后代。这种技术在葡萄上的使用取得了巨大成功，加快了将新的无籽品种推向市场所需的时间。对于西瓜，将无核植物的发芽尖放入盛有生长调节剂和营养物的培养皿中，一个尖将发芽多达 15 株克隆植物。这种技术也被用于生产无籽西红柿。

修炼

放大

• 1 在开发出新菌株后，商业种子种植者许可该种库存并 孟德尔第二定律。 开始以足够大的规模生产足够的种子以出售给农民。下面给出的过程是针对无籽西瓜的。商业种子种植者从开发者那里获得种子或幼苗，并将它们种植在隔离田中。这些是四倍体（四染色体）植物。隔离地必须与任何其他西瓜地相距三英里，以便蜜蜂不会将其他品种的无核植物授粉。或者，隔离场可能被另一种植物包围，例如玉米。隔离场通常为一到五英亩。种植者小心地维护植物，可能用生长激素处理它们。蜜蜂为植物授粉，可能产生数百磅的种子。接下来，将这种储备种子与各种常规二倍体西瓜一起种植在种子生产田中。当植物开花时，种植者会用手给它们授粉。来自雄性二倍体植物的花粉被转移到雌性四倍体花中。结果的果实具有三倍体种子。这些种子卖给农民。

发芽

• 2 由于三倍体植株普遍脆弱，容易因温度不当而死亡，因此它们通常在温室中发芽并作为幼苗转移到田间。三倍体种子的外皮也异常厚实，因此农民可能会在播种前在种子的圆形末端划伤，以加速发芽。农民将种子埋在轻质盆栽土中，并加少许水。然后温室需要保持在 85°F (29°C) 左右。大多数种子发芽后，温度会降低到 70-80°F（21-27°C）之间。

在字段中

• 3 当幼苗长到三到四个星期并长出两到三片叶子时，农民将它们移植到地里。农民还必须在田间种植一个标准的二倍体西瓜，每两个或三个三倍体种植一排。这些可能已经提前直接播种到田间，或同时移植。选择二倍体品种与三倍体同时或早于成熟。为避免在收获时混淆，二倍体还应具有与三倍体不同的果皮颜色，因此很清楚哪个是无核的。这两个品种都会生长和成熟，蜜蜂为花朵授粉。三倍体植物生产无籽西瓜。这些被收获和出售。为了明年种植更多的三倍体西瓜，农民必须重新开始种植新种子。

未来

由于复杂的组织培养方法的成功，开发无籽水果和蔬菜所需的时间正在缩短。这意味着园艺师可以规划品种来填补特定的市场空白，例如一种在 8 月成熟的无核黑葡萄，此时可用的黑葡萄很少。另一种可以加快无籽品种生产的技术是基因转移。生物学家可以将新基因融合到水果植物中，让植物产生生长激素。即使没有授粉，生长激素也会刺激果实的生长。未授粉的植物不产生种子。在 1990 年代后期，这种方法在西红柿和西瓜上成功进行。这种生物技术是植物科学发展最快的领域之一。因此，未来可能会生产更多无籽水果和蔬菜品种，而无需像过去那样进行长时间的测试和开发。