兩種葫蘆科植物的馴化歷史。圖片來(lái)源：《自然—遺傳學(xué)》
作為甜蜜美味的世界性水果，西瓜和甜瓜同屬于葫蘆科作物。北京時(shí)間11月2日，《自然—遺傳學(xué)》以?xún)善L(zhǎng)文形式在線(xiàn)發(fā)表了兩項(xiàng)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)單位完成的瓜類(lèi)作物基因組研究成果。兩項(xiàng)研究分別構(gòu)建了西瓜和甜瓜的全基因組變異圖譜，揭示了兩種水果的馴化歷史及果實(shí)品質(zhì)的遺傳分子機(jī)制。
論文共同通訊作者、中國(guó)農(nóng)科院鄭州果樹(shù)研究所研究員徐永陽(yáng)介紹，他們聯(lián)合中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、西班牙巴塞羅那基因組中心、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國(guó)康奈爾大學(xué)、法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等19個(gè)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，歷時(shí)5年，共同構(gòu)建了世界第一個(gè)甜瓜全基因組變異圖譜，首次系統(tǒng)闡釋了甜瓜的復(fù)雜馴化歷史及重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)。
論文第一作者、鄭州果樹(shù)所副研究員趙光偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，甜瓜研究團(tuán)隊(duì)分析了千余份甜瓜種質(zhì)資源的基因組變異，共鑒定了560余萬(wàn)個(gè)SNP。群體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，甜瓜至少經(jīng)歷過(guò)3次獨(dú)立的馴化事件（兩次發(fā)生在印度，一次發(fā)生在非洲）。薄皮甜瓜和厚皮甜瓜亞種分別從印度不同的野生群體馴化而來(lái)。
苦味的喪失、甜味的出現(xiàn)，是葫蘆科物種馴化過(guò)程中選擇的最重要的特征之一。研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同基因分別與兩個(gè)甜瓜亞種的苦味喪失有關(guān)，其中厚皮甜瓜馴化了CmBi基因，薄皮甜瓜馴化了CmBt基因。有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)亞種在失去酸味的過(guò)程中也分別馴化了不同的基因，進(jìn)而都導(dǎo)致野生甜瓜失去了苦味和酸味，獲得了甜味。此外，通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析等手段，研究團(tuán)隊(duì)還定位了200余個(gè)與甜瓜苦味、酸味、果實(shí)大小、果肉顏色等性狀相關(guān)的候選基因和位點(diǎn)。
西瓜大約在4000年前就已馴化。國(guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家、論文共同通訊作者北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員許勇介紹，他們聯(lián)合中國(guó)農(nóng)科院鄭州果樹(shù)研究所、美國(guó)康奈爾大學(xué)、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所組成科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，采用單分子測(cè)序、光學(xué)圖譜與Hi-C三維基因組聯(lián)合分析，完成了新一代西瓜基因組精細(xì)圖譜繪制和馴化歷史解析，首次系統(tǒng)揭示了西瓜果實(shí)品質(zhì)性狀進(jìn)化的分子機(jī)制。
論文第一作者、北京農(nóng)林科學(xué)院研究員郭紹貴告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，西瓜研究團(tuán)隊(duì)基于新一代西瓜基因組精細(xì)圖譜對(duì)400多份種質(zhì)資源開(kāi)展了基因組變異分析，共鑒定近2000萬(wàn)個(gè)SNP。通過(guò)群體結(jié)構(gòu)分析，他們首次明確了西瓜7個(gè)種之間的進(jìn)化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)野生黏籽西瓜是距現(xiàn)代栽培西瓜親緣關(guān)系最近的種群，也發(fā)現(xiàn)了利用野生西瓜進(jìn)行抗性改良的基因組痕跡。此外，鑒定獲得了與果實(shí)含糖量、瓤色、形狀等性狀關(guān)聯(lián)的43個(gè)信號(hào)位點(diǎn)和候選基因，并對(duì)參與調(diào)控光合產(chǎn)物卸載的α-半乳糖苷酶基因ClAGA2等重要基因進(jìn)行了功能驗(yàn)證，首次揭示了西瓜“甜蜜基因”馴化的秘密。
基因組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(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)指出，種質(zhì)資源是育種的基礎(chǔ)，這兩項(xiàng)成果為西甜瓜種質(zhì)資源研究提供新的理論框架和組學(xué)數(shù)據(jù)，也為西甜瓜分子育種提供了大量的基因資源和選擇工具，具有重要科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。
《自然—遺傳學(xué)》同時(shí)配發(fā)了三位德國(guó)科學(xué)家Murukarthick Jayakodi、Mona Schreiber和Martin Mascher的評(píng)論。他們認(rèn)為，兩項(xiàng)基因研究揭示了馴化如何改變甜瓜和西瓜的果實(shí)品質(zhì)性狀。這些研究利用群體遺傳學(xué)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(shù)據(jù)支撐。
上述研究受到中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、國(guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京學(xué)者、廣東省珠江計(jì)劃、深圳市孔雀計(jì)劃和大鵬新區(qū)等資助。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41588-019-0522-8
https://doi.org/10.1038/s41588-019-0518-4
