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西瓜甜瓜“甜蜜基因”双双被揭示

来源:中国科学报2019-11-05 09:03

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  两种葫芦科植物的驯化历史。图片来源:《自然—遗传学》

  作为甜蜜美味的世界性水果,西瓜和甜瓜同属于葫芦科作物。北京时间11月2日,《自然—遗传学》以两篇长文形式在线发表了两项由中国农业科学院联合国内外优势单位完成的瓜类作物基因组研究成果。两项研究分别构建了西瓜和甜瓜的全基因组变异图谱,揭示了两种水果的驯化历史及果实品质的遗传分子机制。

  论文共同通讯作者、中国农科院郑州果树研究所研究员徐永阳介绍,他们联合中国农科院深圳农业基因组研究所、西班牙巴塞罗那基因组中心、青岛农业大学、中国农科院蔬菜花卉研究所、中国农业大学、美国康奈尔大学、法国农业科学院等19个国内外科研机构,历时5年,共同构建了世界第一个甜瓜全基因组变异图谱,首次系统阐释了甜瓜的复杂驯化历史及重要农艺性状形成的遗传基础。

  论文第一作者、郑州果树所副研究员赵光伟告诉《中国科学报》,甜瓜研究团队分析了千余份甜瓜种质资源的基因组变异,共鉴定了560余万个SNP。群体结构分析发现,甜瓜至少经历过3次独立的驯化事件(两次发生在印度,一次发生在非洲)。薄皮甜瓜和厚皮甜瓜亚种分别从印度不同的野生群体驯化而来。

  苦味的丧失、甜味的出现,是葫芦科物种驯化过程中选择的最重要的特征之一。研究人员发现,两个不同基因分别与两个甜瓜亚种的苦味丧失有关,其中厚皮甜瓜驯化了CmBi基因,薄皮甜瓜驯化了CmBt基因。有趣的是,他们还发现两个亚种在失去酸味的过程中也分别驯化了不同的基因,进而都导致野生甜瓜失去了苦味和酸味,获得了甜味。此外,通过全基因组关联分析等手段,研究团队还定位了200余个与甜瓜苦味、酸味、果实大小、果肉颜色等性状相关的候选基因和位点。

  西瓜大约在4000年前就已驯化。国家西甜瓜产业技术体系首席科学家、论文共同通讯作者北京市农林科学院研究员许勇介绍,他们联合中国农科院郑州果树研究所、美国康奈尔大学、中国农科院农业基因组研究所组成科研攻关团队,采用单分子测序、光学图谱与Hi-C三维基因组联合分析,完成了新一代西瓜基因组精细图谱绘制和驯化历史解析,首次系统揭示了西瓜果实品质性状进化的分子机制。

  论文第一作者、北京农林科学院研究员郭绍贵告诉《中国科学报》,西瓜研究团队基于新一代西瓜基因组精细图谱对400多份种质资源开展了基因组变异分析,共鉴定近2000万个SNP。通过群体结构分析,他们首次明确了西瓜7个种之间的进化关系,发现野生黏籽西瓜是距现代栽培西瓜亲缘关系最近的种群,也发现了利用野生西瓜进行抗性改良的基因组痕迹。此外,鉴定获得了与果实含糖量、瓤色、形状等性状关联的43个信号位点和候选基因,并对参与调控光合产物卸载的α-半乳糖苷酶基因ClAGA2等重要基因进行了功能验证,首次揭示了西瓜“甜蜜基因”驯化的秘密。

  基因组所研究员黄三文是两篇论文的共同通讯作者。他在接受《中国科学报》采访时指出,种质资源是育种的基础,这两项成果为西甜瓜种质资源研究提供新的理论框架和组学数据,也为西甜瓜分子育种提供了大量的基因资源和选择工具,具有重要科学价值和实践意义。

  《自然—遗传学》同时配发了三位德国科学家Murukarthick Jayakodi、Mona Schreiber和Martin Mascher的评论。他们认为,两项基因研究揭示了驯化如何改变甜瓜和西瓜的果实品质性状。这些研究利用群体遗传学和QTLs定位等方法研究了甜瓜和西瓜的驯化历史,并为育种者提供了重要的数据支撑。

  上述研究受到中国农科院科技创新工程、国家西甜瓜产业技术体系、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京学者、广东省珠江计划、深圳市孔雀计划和大鹏新区等资助。(李晨)

  相关论文信息:

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

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

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