幾千年前，我們的祖先吃的蔬菜水果可沒有現(xiàn)在這么豐富多樣。

 

      葫蘆科作物的千變?nèi)f化更是印證了這一點。很難想象，冬瓜、黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、南瓜、絲瓜等葫蘆科作物有著一個共同的祖先，是什么導致他們在歷史長河里發(fā)展成不同形態(tài)大小和風味的？科學家們對此產(chǎn)生了濃厚的興趣。

 

      探究葫蘆科作物“變異”的脈絡，有著非比尋常的意義，不僅可以揭示作物的起源，還能挖掘出決定這些作物“個性”發(fā)展的關鍵基因，有助于分子育種工作的開展。

 

      歷時6年，廣東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜所、中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所、青島農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所等多家單位協(xié)作開展研究，在冬瓜基因組和變異組方面取得了重要進展，并闡明瓜類作物基因組演變歷史。

 

      近日，相關研究成果發(fā)表于《自然—通訊》上，葫蘆科作物基因組進化的神秘面紗終被揭開。

 

      “保守”的冬瓜

 

      葫蘆科包含多種具有全球或地方經(jīng)濟重要性的蔬菜水果作物，比如黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜、南瓜、絲瓜等，它們的基因組如何進化以及多樣性的遺傳基礎在很大程度上仍是未解之謎。

 

      作為蔬菜領域的模式作物，黃瓜的研究是開啟葫蘆科作物探秘的重要鑰匙。青島農(nóng)業(yè)大學園藝學院教授、中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所研究員張忠華在作為主要人員參與國際黃瓜基因組計劃研究中發(fā)現(xiàn)，黃瓜基因組特別小，而且生命周期短，適合做生物學的模擬系統(tǒng)。

 

      2009年黃瓜基因組被破譯，是第一個解碼基因組的瓜類作物。在基因組基礎上，科學家又解析了黃瓜的馴化歷史和多樣性遺傳機制，闡明了黃瓜全部開雌花的遺傳機理，并為黃瓜苦味物質(zhì)合成和調(diào)控機理解析提供了關鍵基因。2019年，甜瓜的馴化歷史和果實品質(zhì)的分子機制也被揭示，為人們進一步了解葫蘆科作物添磚加瓦。

 

      而這些工作為推動瓜類作物研究進入組學時代和全基因組分子設計育種奠定了重要基礎。

 

      “在目前已知的瓜類作物里，冬瓜的基因組最大。冬瓜含有27000多個基因，重復序列的大量擴增導致基因組比其他瓜類作物大2至3倍，相對比較復雜。并且，冬瓜屬于葫蘆科冬瓜族冬瓜屬冬瓜種，是一種進化地位特殊的作物，是探索瓜類基因組進化的絕佳系統(tǒng)，有著重要價值。”廣東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜所副所長江彪在接受《中國科學報》采訪時表示。

 

      此前，科學家通過比較基因組學的分析，稱甜瓜可能是相對比較原始的作物，因為其染色體接近于原始的基因組。“但是，我們用冬瓜和甜瓜做比較的時候，發(fā)現(xiàn)冬瓜其實比甜瓜還要‘保守’。”中國農(nóng)業(yè)科學院博士研究生許愿超告訴《中國科學報》。

 

      怎么理解“保守”？許愿超舉例說明，黃瓜基因組有7對染色體，是由原來祖先基因組經(jīng)過各種斷裂和融合而形成的，但是冬瓜的斷裂和融合次數(shù)相對較少，12條染色體中有7對還保留祖先最原始的狀態(tài)，這種情況在黃瓜、西瓜等其他瓜類作物里并不存在。

 

      這是一個全新的發(fā)現(xiàn)。通過比較研究，科研人員發(fā)現(xiàn)冬瓜是所有已知瓜類作物保留最多祖先基因狀態(tài)的最“保守”作物，并以此推斷出所有瓜類作物起源于一個擁有15條染色體的祖先基因組，經(jīng)過染色體多次斷裂和融合等事件形成了目前豐富多彩的瓜類家族。

 

      探尋“從小變大”的秘密

 

      在夏季成熟的冬瓜，顯得有些“名不符實”，其名字的由來主要是因為冬瓜表皮的一層白粉，像冬天的雪霜。除了這個特殊標簽外，市面上冬瓜的巨大個頭也是最引人注目的特點。

 

      探索果實的發(fā)育過程，是開啟葫蘆科研究的必經(jīng)之路。瓜類作物的果實發(fā)育都經(jīng)歷了由小變大的過程，“實際上，野生冬瓜果實非常小，長度小于10厘米，只有雞蛋大小，而大多數(shù)冬瓜品種果實巨大，長度可達80厘米～100厘米，重量可高達60公斤，這些果實含有豐富營養(yǎng)物質(zhì)。”許愿超介紹。

 

      研究團隊挖掘出冬瓜含有27000多個基因，廣東省農(nóng)科院蔬菜所首次繪制出冬瓜基因組精細圖譜，在此基礎上，分析了146份冬瓜核心資源，構建了一張包括1600萬個單核苷酸多態(tài)性位點（SNPs）的全基因組遺傳變異圖譜。

 

      他們發(fā)現(xiàn)，和黃瓜、甜瓜等瓜類作物一樣，冬瓜也起源于印度。“冬瓜的果實由小變大經(jīng)歷了兩步進化過程。”江彪表示。第一步是從野生種到橢圓形的地方種，目前這種地方種主要在云南西雙版納地區(qū)出現(xiàn)；第二步是從地方種到目前廣泛種植的栽培種，更大、更長。并且，人類對冬瓜栽培種也進行了人為選擇，因此栽培種出現(xiàn)了有蠟粉和無蠟粉兩種類型。后者就是常說的青皮冬瓜。在20世紀80年代，廣東地區(qū)從青皮冬瓜中定向選育出目前流行的黑皮冬瓜。

 

      在這兩步進化過程中，有上千個基因發(fā)生了變化。張忠華介紹，他們找到了兩個控制冬瓜果實大小的候選基因，這兩個候選基因還在黃瓜、西紅柿等果實發(fā)育過程中起了重要作用。

 

      助推育種工作開展

 

      一項研究中的數(shù)據(jù)往往也能對其他研究有所助益。開展冬瓜遺傳規(guī)律及基因定位的研究對于指導作物育種具有重要意義。

 

      經(jīng)過6年的協(xié)同攻關，團隊完成了冬瓜基因組和變異組研究，冬瓜基因組草圖和變異圖譜為了解葫蘆科物種的基因組進化和冬瓜遺傳多樣性提供了新思路。這些數(shù)據(jù)和信息為冬瓜的分子育種以及瓜類的比較基因組分析提供了寶貴的資源。

 

      他們的研究不會止步于此，對于下一步，研究團隊已有自己的打算。

 

      “這項成果為冬瓜等瓜類作物分子生物學研究和全基因組設計育種奠定基礎，具有重要的科學和應用價值。”江彪表示，接下來，他們將充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，開展冬瓜的分子育種工作，有針對性地篩選材料，加快育種速度。

 

      “沒有解決的問題還有很多，生命里還有太多奧秘需要去探索。未來，任重道遠。”張忠華表示。