西瓜甜瓜“甜蜜基因”双双被揭示

两种葫芦科植物的驯化历史。照片来源:自然-遗传学

西瓜和甜瓜属于葫芦科，是世界上香甜可口的水果。北京时间11月2日，《自然遗传学》在网上发表了两篇关于中国农业科学院与国内外优势单位合作完成的甜瓜作物基因组研究成果的长篇文章。这两项研究分别构建了西瓜和甜瓜的全基因组变异图，揭示了两种水果的驯化历史和果实品质的遗传分子机制。

论文合著者、中国农业科学院郑州水果研究所研究员徐永阳表示，他们与深圳农业基因组研究所、巴塞罗那基因组中心、青岛农业大学、中国农业科学院蔬菜花卉研究所、中国农业大学、美国康奈尔大学等19家国内外科研机构共同建立了世界上第一张甜瓜全基因组变异图。 和法国农业科学院，并首次系统地解释了甜瓜复杂的驯化历史和重要农艺性状形成的遗传基础。

论文第一作者、郑州水果研究所副研究员赵广伟告诉《中国科学日报》，甜瓜研究团队分析了1000多种甜瓜种质资源的基因组变异，鉴定出560多万个单核苷酸多态性。种群结构分析发现，甜瓜至少经历了3次独立驯化事件(2次在印度，1次在非洲)。甜瓜和甜瓜亚种是从印度不同的野生群体驯化而来的。

苦味的丧失和甜味的出现是葫芦科植物驯化的最重要特征之一。研究人员发现，两个不同的基因分别与两个甜瓜亚种的苦味损失相关，其中厚皮甜瓜驯化的CmBi基因和薄皮甜瓜驯化的CmBt基因。有趣的是，他们还发现，这两个亚种在失去酸味的过程中也驯化了不同的基因，这导致了野生甜瓜的苦味、酸味和甜味的丧失。此外，通过全基因组关联研究等手段，研究团队还定位了200多个与甜瓜苦味、酸味、果实大小、果肉颜色等性状相关的候选基因和基因座。

西瓜大约在4000年前被驯化。国家西瓜产业技术体系首席科学家、论文合著者、北京市农林科学院研究员徐勇表示，他们已与中国农业科学院郑州水果研究所、美国康奈尔大学和中国农业科学院农业基因组研究所组成科研团队。利用单分子测序、光学作图和高-碳三维基因组联合分析，完成了新一代西瓜基因组的作图和驯化历史分析，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少贵告诉《中国科学报》，西瓜研究团队在新一代西瓜基因组精细图谱的基础上，对400多份种质资源进行了基因组变异分析，鉴定出近2000万个单核苷酸多态性。通过对种群结构的分析，他们首先确定了七个西瓜品种之间的进化关系，发现种子粘着的野生西瓜是最接近现代栽培西瓜的种群，同时也发现了利用野生西瓜改良抗性的基因组痕迹。此外，鉴定并获得了与果实含糖量、果肉颜色、形状等性状相关的43个信号位点和候选基因，并对参与光合产物卸载调控的重要基因如α-半乳糖苷酶基因ClAGA2进行了功能验证，首次揭示了西瓜“甜味基因”驯化的秘密。

基因组研究所的研究员黄三文是这两篇论文的共同作者。在接受《中国科学》采访时，他指出种质资源是育种的基础。这两个结果为西瓜种质资源的研究提供了新的理论框架和组织学数据，也为西瓜分子育种提供了大量的基因资源和选择工具，具有重要的科学价值和现实意义。

《自然-遗传学》附有三位德国科学家的评论，他们是穆鲁克·贾亚科迪、莫娜·施赖伯和马丁·马斯彻。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特征。这些研究利用群体遗传学和QTLs作图等方法研究了甜瓜和西瓜的驯化历史，为育种者提供了重要的数据支持。

以上研究得到了中国农业科学院科技创新工程、国家甜瓜产业技术体系、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京学者、广东省珠江规划、深圳孔雀计划和大鹏新区的支持。

相关纸质信息:

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

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