解开冬瓜“保守”的秘密

2019-11-26 08:25 | 作者: 中国科学报 | 标签: 冬瓜

几千年前,我们的祖先吃的蔬菜水果可没有现在这么丰富多样。

葫芦科作物的千变万化更是印证了这一点。很难想象,冬瓜、黄瓜、甜瓜、西瓜、葫芦、南瓜、丝瓜等葫芦科作物有着一个共同的祖先,是什么导致他们在历史长河里发展成不同形态大小和风味的?科学家们对此产生了浓厚的兴趣。

探究葫芦科作物“变异”的脉络,有着非比寻常的意义,不仅可以揭示作物的起源,还能挖掘出决定这些作物“个性”发展的关键基因,有助于分子育种工作的开展。

历时6年,广东省农业科学院蔬菜所、中国农业科学院蔬菜花卉研究所、青岛农业大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所等多家单位协作开展研究,在冬瓜基因组和变异组方面取得了重要进展,并阐明瓜类作物基因组演变历史。

近日,相关研究成果发表于《自然—通讯》上,葫芦科作物基因组进化的神秘面纱终被揭开。

“保守”的冬瓜

葫芦科包含多种具有全球或地方经济重要性的蔬菜水果作物,比如黄瓜、甜瓜、西瓜、葫芦、冬瓜、南瓜、丝瓜等,它们的基因组如何进化以及多样性的遗传基础在很大程度上仍是未解之谜。

作为蔬菜领域的模式作物,黄瓜的研究是开启葫芦科作物探秘的重要钥匙。青岛农业大学园艺学院教授、中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员张忠华在作为主要人员参与国际黄瓜基因组计划研究中发现,黄瓜基因组特别小,而且生命周期短,适合做生物学的模拟系统。

2009年黄瓜基因组被破译,是第一个解码基因组的瓜类作物。在基因组基础上,科学家又解析了黄瓜的驯化历史和多样性遗传机制,阐明了黄瓜全部开雌花的遗传机理,并为黄瓜苦味物质合成和调控机理解析提供了关键基因。2019年,甜瓜的驯化历史和果实品质的分子机制也被揭示,为人们进一步了解葫芦科作物添砖加瓦。

而这些工作为推动瓜类作物研究进入组学时代和全基因组分子设计育种奠定了重要基础。

“在目前已知的瓜类作物里,冬瓜的基因组最大。冬瓜含有27000多个基因,重复序列的大量扩增导致基因组比其它瓜类作物大2至3倍,相对比较复杂。并且,冬瓜属于葫芦科冬瓜族冬瓜属冬瓜种,是一种进化地位特殊的作物,是探索瓜类基因组进化的绝佳系统,有着重要价值。”广东省农业科学院蔬菜所副所长江彪在接受《中国科学报》采访时表示。

此前,科学家通过比较基因组学的分析,称甜瓜可能是相对比较原始的作物,因为其染色体接近于原始的基因组。“但是,我们用冬瓜和甜瓜做比较的时候,发现冬瓜其实比甜瓜还要‘保守’。”中国农业科学院博士研究生许愿超告诉《中国科学报》。

怎么理解“保守”?许愿超举例说明,黄瓜基因组有7对染色体,是由原来祖先基因组经过各种断裂和融合而形成的,但是冬瓜的断裂和融合次数相对较少,12条染色体中有7对还保留祖先最原始的状态,这种情况在黄瓜、西瓜等其他瓜类作物里并不存在。

这是一个全新的发现。通过比较研究,科研人员发现冬瓜是所有已知瓜类作物保留最多祖先基因状态的最“保守”作物,并以此推断出所有瓜类作物起源于一个拥有15条染色体的祖先基因组,经过染色体多次断裂和融合等事件形成了目前丰富多彩的瓜类家族。

探寻“从小变大”的秘密

在夏季成熟的冬瓜,显得有些“名不符实”,其名字的由来主要是因为冬瓜表皮的一层白粉,像冬天的雪霜。除了这个特殊标签外,市面上冬瓜的巨大个头也是最引人注目的特点。

探索果实的发育过程,是开启葫芦科研究的必经之路。瓜类作物的果实发育都经历了由小变大的过程,“实际上,野生冬瓜果实非常小,长度小于10厘米,只有鸡蛋大小,而大多数冬瓜品种果实巨大,长度可达80厘米~100厘米,重量可高达60公斤,这些果实含有丰富营养物质。”许愿超介绍。

研究团队挖掘出冬瓜含有27000多个基因,广东省农科院蔬菜所首次绘制出冬瓜基因组精细图谱,在此基础上,分析了146份冬瓜核心资源,构建了一张包括1600万个单核苷酸多态性位点(SNPs)的全基因组遗传变异图谱。

他们发现,和黄瓜、甜瓜等瓜类作物一样,冬瓜也起源于印度。“冬瓜的果实由小变大经历了两步进化过程。”江彪表示。第一步是从野生种到椭圆形的地方种,目前这种地方种主要在云南西双版纳地区出现;第二步是从地方种到目前广泛种植的栽培种,更大、更长。并且,人类对冬瓜栽培种也进行了人为选择,因此栽培种出现了有蜡粉和无蜡粉两种类型。后者就是常说的青皮冬瓜。在上世纪80年代,广东地区从青皮冬瓜中定向选育出目前流行的黑皮冬瓜。

在这两步进化过程中,有上千个基因发生了变化。张忠华介绍,他们找到了两个控制冬瓜果实大小的候选基因,这两个候选基因还在黄瓜、西红柿等果实发育过程中起了重要作用。

助推育种工作开展

一项研究中的数据往往也能对其他研究有所助益。开展冬瓜遗传规律及基因定位的研究对于指导作物育种具有重要意义。

经过6年的协同攻关,团队完成了冬瓜基因组和变异组研究,冬瓜基因组草图和变异图谱为了解葫芦科物种的基因组进化和冬瓜遗传多样性提供了新思路。这些数据和信息为冬瓜的分子育种以及瓜类的比较基因组分析提供了宝贵的资源。

他们的研究不会止步于此,对于下一步,研究团队已有自己的打算。

“这项成果为冬瓜等瓜类作物分子生物学研究和全基因组设计育种奠定基础,具有重要的科学和应用价值。”江彪表示,接下来,他们将充分利用现有的数据,开展冬瓜的分子育种工作,有针对性地筛选材料,加快育种速度。

“没有解决的问题还有很多,生命里还有太多奥秘需要去探索。未来,任重道远。”张忠华表示。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-13185-3

来源:中国科学报

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