甜蜜基因的進化 “殊途同歸”

來源: 中國科學報 / 作者: 2019-11-15
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吃瓜總是讓人愉悅,因為它們的味道甜美。作為世界上非常受歡迎的水果作物,甜瓜和西瓜來自于葫蘆科。

近日,《自然—遺傳學》發表的兩項由中國農業科學院和北京市農林科學院等單位協作完成的瓜類作物基因組研究成果顯示,甜瓜和西瓜經歷了不同的馴化過程,同樣完成了令人著迷的 “甜蜜基因” 的進化,可謂“殊途同歸”。研究成果還為人們理解葫蘆科作物的進化關系提供了線索。

甜瓜的三次馴化

我們通常在市場上買到的栽培甜瓜有 16 個變種,多樣性異常豐富。

論文第一作者、中國農科院鄭州果樹研究所副研究員趙光偉告訴《中國科學報》,變種之間的多樣性不僅體現在表型多樣性,在生態適應性上也存在很大差異,這導致試驗材料必須多點(河南、海南、新疆)多季種植才能夠采樣成功。

論文共同通訊作者、中國農科院鄭州果樹研究所研究員徐永陽介紹,盡管面臨困難,甜瓜研究團隊仍舊在 5 年里分析了千余份甜瓜種質資源的基因組變異,鑒定了 560 余萬個 SNP(單核苷酸多態性)。群體結構分析發現,甜瓜至少經歷過 3 次獨立的馴化事件,兩次發生在印度,一次發生在非洲。

“甜瓜的馴化一直存在爭議。” 徐永陽說,由于非洲具有最多的甜瓜野生近緣種,且其染色體數目和甜瓜一樣,因此最初學界都認為甜瓜的馴化發生在非洲。然而,近幾年的基因組證據更多表明,“非洲僅僅馴化出了特殊的非洲原始甜瓜類型 tibish”。

論文共同第一作者、中國農科院深圳農業基因組研究所助理研究員練群介紹,這種非洲甜瓜主要分布在蘇丹附近,而且并沒有參與到后面甜瓜的遺傳和改良中去,在非洲也主要是菜用。

印度其實是葫蘆科作物一個很重要的起源 / 次級起源中心,也是當前世界上栽培甜瓜的馴化中心。此次成果表明,厚皮甜瓜(如哈密瓜等)和薄皮甜瓜(如香瓜等)亞種分別從印度不同的野生群體馴化而來。前者果肉較厚,成熟后完全沒有苦味,世界范圍內均有分布;后者果肉較薄,幼果及成熟后部分會有苦味,主要分布在東亞地區。

“進一步研究發現這兩個亞種在失去苦味、酸味,以及果實膨大的馴化過程中分別馴化了不同的基因,存在著不同的馴化機制。” 練群說。

趙光偉介紹,他們共對甜瓜的品質、產量及形態相關的 16 個重要農藝性狀進行了基因定位研究,共定位到 200 余個候選基因和位點。

其中,厚皮甜瓜馴化了葫蘆素 B 合成酶基因(CmBi),而薄皮甜瓜馴化調控苦味形成的轉錄因子(CmBt),因而導致二者在苦味性狀上產生差異。

西瓜屬的連續進化

“水晶球帶輕煙綠,翡翠籠含冷焰紅。” 自古以來,西瓜都是深受人們喜愛的消暑佳品。西瓜果實瓤色與含糖量是備受關注的關鍵品質性狀。

西瓜大約在 4000 年前就已馴化。論文共同通訊作者、北京市農林科學院研究員許勇介紹,他們聯合中國農業科學院鄭州果樹所研究員劉文革團隊等,完成了新一代西瓜基因組精細圖譜繪制和馴化歷史解析,首次系統揭示了西瓜果實品質性狀進化的分子機制,并作為封面文章發表。

據介紹,他們進一步對 400 多份種質資源開展了基因組變異分析,共鑒定近 2000 萬個 SNP。

論文共同通訊作者劉文革告訴《中國科學報》,通過群體結構分析,他們首次發現,西瓜屬的 7 個種中諾丹西瓜是最古老的種,主要分布在撒哈拉沙漠以南的非洲地區。隨后,經自然選擇進化形成了兩大分支,一個分支是藥西瓜,主要分布在非洲北部,西南亞、中亞沙漠和半干旱地區,通常被作為藥材種植。另一個分支是飼用西瓜,廣泛種植在非洲南部,多用于動物飼料。在兩大分支之間,有兩個稀有的種——熱迷西瓜和缺須西瓜是過渡類型。隨后,經過早期人類和動物覓食活動的選擇馴化,形成了黏籽西瓜。

“黏籽西瓜是距現代栽培西瓜親緣關系最近的種群,它們之間具有共同的祖先血緣。黏籽西瓜的果實苦味逐漸消失,并且開始積累糖分,反映了從野生西瓜到栽培西瓜進化過程中的重要階段。” 論文第一作者、北京市農林科學院研究員郭紹貴說,人類對西瓜開始了有意識的馴化改良,果實品質越來越好,瓤色也逐漸豐富起來,逐漸形成了現代可食用的栽培西瓜。

通過系統研究,他們不僅明確了西瓜果實瓤色關鍵基因 LCYB 的選擇馴化模式,還利用最新的基因編輯技術首次證實了參與光合產物卸載的α—半乳糖苷酶基因在西瓜果實糖分積累中的關鍵作用,揭示了西瓜 “甜蜜基因” 馴化的秘密。同時,他們還獲得了決定西瓜含糖量與瓤色協同進化的候選基因位點。“這些關鍵性狀基因對我們未來培育更加美味可口的西瓜具有非常重要的價值。”許勇說。

異曲同工之 “甜”

“與前人研究一致,他們發現甜瓜和西瓜在失去苦味的過程中屬于趨同進化。”《自然—遺傳學》同時配發了 3 位德國科學家聯合署名的評論。他們認為,兩項基因研究揭示了馴化如何改變甜瓜和西瓜的果實品質性狀。這些研究利用群體遺傳學和 QTLs 定位等方法研究了甜瓜和西瓜的馴化歷史,并為育種者提供了重要的數據支撐。

“在目前已知的瓜類作物基因組中,甜瓜保留了最多的古老基因組核型,是研究葫蘆科作物基因組進化以及比較基因組學的重要依據,也為葫蘆科作物之間保守功能基因的定位提供了寶貴的線索。” 練群說。

劉文革告訴記者,葫蘆科作物各個物種之間的進化關系中,甜瓜與黃瓜同為甜瓜屬,它們的關系更近。在它們的共同祖先與西瓜祖先種發生分化后,甜瓜經歷 3 次獨立馴化事件,而西瓜經歷了從野生西瓜到栽培西瓜的相對連續的進化過程。“兩者經歷了完全不同的進化歷史,而最終都形成了甘甜可口的果實。”同時,對西瓜和甜瓜展開研究,將有助于更加深刻地理解并揭示西瓜和甜瓜 “甜蜜基因” 馴化的秘密。

作為國家西甜瓜產業技術體系首席科學家,許勇組織并推動了西瓜和甜瓜兩大作物基因組科學研究的密切協作。他告訴《中國科學報》,我國科學家在西瓜和甜瓜基因組學與果實品質研究領域已經取得了豐富的研究基礎、經驗積累和材料儲備。

中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文是兩篇論文的共同通訊作者。他在接受《中國科學報》采訪時指出,種質資源是育種的基礎。這兩項成果為西甜瓜種質資源研究提供了新的理論框架和組學數據,也為西甜瓜分子育種提供了大量的基因資源和選擇工具。西瓜和甜瓜全基因組變異圖譜研究成果已同時完成,對于深刻認識和理解兩者之間異曲同工的果實品質進化機制提供了充分的數據和材料支撐。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41588-019-0522-8

https://doi.org/10.1038/s41588-019-0518-4

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