科學家首次揭開西瓜甜瓜馴化史

未知 2019-11-02 18:57


科學家首次揭開西瓜甜瓜馴化史


大約4000年前,人類開始第一次馴化栽培西瓜,野生的西瓜并不甜,有的還是苦的,而且絕大部分瓜瓤也不是紅色的

西瓜是夏季水果之王,蜜汁一般的甜瓜同樣是水果中最受歡迎的種類。然而,在遠古時代,當它們還沒有被人類馴化時,絕大多數甜瓜并不甜,西瓜也不是紅色的,同樣也不是甜的。

它們是怎么變甜的?又是怎么變成今天的模樣的?一直以來爭議頗多,甚至成了歷史之謎。

今天,這個謎底被揭開了。

北京時間11月2日零點,《自然-遺傳學》以兩篇長文形式在線發表了兩項由我國科學家主導的瓜類作物基因組研究成果,并同時刊發了相應的專評和社評。兩項研究分別構建了甜瓜和西瓜的全基因組變異圖譜,在遺傳分子機制的層面,揭示了兩種水果的馴化歷史及果實品質的演變。

據介紹,上述兩項研究是中國農科院鄭州果樹研究所、北京農林科學院及深圳農業基因組研究所協同創新的成果。

甜瓜、西瓜馴化史。據《自然-遺傳學》

西瓜的馴化史,它們原本不紅也不甜

在植物學里,西瓜屬于葫蘆科西瓜屬,下有7個種。野生的西瓜并不甜,有的還是苦的,而且,絕大部分的野生西瓜瓤也不是紅色的。

大約4000年前,人類開始第一次馴化栽培西瓜。最初的起源已經不可靠,或許是某一個人類的祖先,偶然發現了一個沒有苦味的變異種,覺得可以作為人類的食品,因此決定栽培它,然后在另外一次偶然的變異中,一個甜美多汁的西瓜出現了,在獲取糖分非常困難的原始時代,這個甜美多汁的西瓜,因此被廣泛栽培,迅速傳播開來,成為人類獲得糖分最便捷的途徑之一。

國家西甜瓜產業技術體系首席科學家、西瓜論文共同通訊作者、北京市農林科學院研究員許勇告訴新京報記者,“西瓜是葫蘆科,含有大量葫蘆素,這是它苦味的來源,野生的西瓜大部分是苦的。苦味有一定的預防病蟲害的功能,甜味則更容易誘發病蟲害,所以從防御的角度看,苦味是有利于野生西瓜生存和繁衍的。”

當西瓜被人類馴化之后,西瓜的果實大小、果肉含糖量、味道、瓤色、質地甚至口味都變得越來越適合人類需要。據介紹,此次研究“采用單分子測序、光學圖譜與Hi-C三維基因組聯合分析,完成了高質量的西瓜基因組序列圖譜。繼而對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。在此基礎上,首次明確了西瓜7個種之間的進化關系。同時確定了西瓜馴化的起源和系統進化關系”。

西瓜馴化的秘密是如何被解開的?許勇說,“基于全新一代西瓜基因組高質量精細圖譜,我們鑒定獲得了與果實含糖量、瓤色等多個重要農藝性狀關聯的基因組位點,為候選基因的精細定位和功能驗證提供了寶貴線索。通過進一步進化和馴化分析,系統解析了野生西瓜到栽培西瓜的基因組馴化歷史,鑒定獲得了西瓜含糖量、瓤色、苦味等重要品質性狀的選擇區域及候選基因,并利用CRISPR基因編輯技術對參與光合產物卸載的α-半乳糖苷酶基因ClAGA2進行了功能驗證,首次揭示了西瓜‘甜蜜基因’馴化的秘密。”

甜瓜的馴化史,茸毛決定“身份”

和西瓜相比,甜瓜的馴化史更加復雜。

最早的甜瓜馴化事件,同樣發生在非洲的蘇丹。那里長期干旱,適宜甜瓜和西瓜生長,這可能是它們在那里最早被馴化的原因之一。

但這一起源并非毫無爭議,近幾年來,科學家們發現,位于亞洲的印度可能也是甜瓜的起源地之一。

一般來說,甜瓜分為兩類,厚皮甜瓜和薄皮甜瓜。厚皮甜瓜如哈密瓜、網紋瓜等,一共有11個變種。薄皮甜瓜通常被稱為香瓜,有5個變種。但區別兩者的主要標志,卻不是皮的厚度,而是幼瓜表面是否有茸毛,薄皮甜瓜有茸毛,厚皮甜瓜沒有。

在以前,人們普遍認為兩類甜瓜同源而生,但基因大數據分析顯示,它們來自不同的源頭。

研究團隊歷時5年,分析了千余份甜瓜種質資源的基因組變異,共鑒定了560萬個SNP,共同構建了世界第一個甜瓜全基因組變異圖譜,首次系統闡釋了甜瓜的復雜馴化歷史及重要農藝性狀形成的遺傳基礎。研究還受到中國農科院科技創新工程、現代農業產業技術體系、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省珠江計劃、深圳市孔雀計劃和大鵬新區等資助。

甜瓜論文的第一作者、中國農業科學院鄭州果樹研究所副研究員趙光偉告訴新京報記者,“通過基因分析,我們發現,現代甜瓜的祖先大都來自印度,但薄皮甜瓜和厚皮甜瓜并非同一個祖先,而是來自兩個不同的野生群體。這意味著,甜瓜的馴化史中,出現過3次獨立的馴化事件,第一次是非洲的馴化,僅馴化出了原始的非洲栽培甜瓜類型。另外兩次都在印度,這兩次馴化共同演化成現代甜瓜群體——薄皮甜瓜和厚皮甜瓜”。

薄皮甜瓜和厚皮甜瓜不是同一個祖先。研究發現,至少有兩個證據證明這一點。

趙光偉介紹,“第一是苦味的演變。通過分析,我們發現薄皮甜瓜和厚皮甜瓜分別馴化不同的控制苦味形成的基因。厚皮甜瓜的馴化更加徹底,苦味完全消失,不管是幼瓜還是熟瓜,都是不苦的。相對來說,薄皮甜瓜的幼瓜是苦的,成熟后瓜蒂部分也還有苦味,此外,某些特定環境下如干旱、低溫等,也會導致甜瓜變苦”。

第二個證據是酸味的演變,趙光偉說,“野生的甜瓜,不管哪種,熟了以后都帶有很強的酸味,但栽培的都不酸。2014年,以色列的一項研究認為,甜瓜在馴化中通過PH基因的變異導致失去了酸味。但我們發現,這一結論在厚皮甜瓜中是符合的,但和薄皮甜瓜不符,我們通過分析,在薄皮甜瓜中定位到了一種與檸檬酸合成相關的‘檸檬酸合成酶’基因,存在著不同的馴化機制。”

未來我們會有更好吃的瓜嗎

構建甜瓜和西瓜的全基因組變異圖譜,究竟有何意義?會讓未來的馴化和育種變得更容易嗎?我們會有更好吃的瓜嗎?

答案是肯定的。西瓜論文第一作者、北京市農林科學院郭紹貴研究員說,“在西瓜方面,我們構建了全新一代西瓜基因組高質量精細圖譜。有了這個基因組圖譜,未來的遺傳育種工作會變得更精準。舉例來說,以前我們想定位一個基因,只能在黑箱子里摸索,摸到了就可以做到,摸不到就無法獲得我們想要的結果。現在可以精準定位,直接找到我們想要的優勢基因。此外,我們構建的西瓜全基因組遺傳變異圖譜,可能幫助我們在未來的遺傳育種中,有目的的聚合特定的基因,讓西瓜變得更好。用比較通俗的話來舉例,假如我們發現了一種抗性更好、產量更高的西瓜,但味道不好,怎么辦呢?以前我們只能慢慢摸索,和甜的西瓜雜交,可能很多次后,偶然會得到兼具兩者優勢的新品種,也可能不會。但在未來,我們就可以直接定位甜的基因,把它組合進去,可以明確地知道我們可以得到兼具兩者優勢的新品種”。

甜瓜的基因研究同樣為甜瓜遺傳育種工作提供了更好的基礎,趙光偉說,“假如我們發現了某個糖度變異的甜瓜,它變得更甜了,我們就可以找到這個變異的基因,加以標記,通過分子標記的方法,然后在育種中精準選擇,就能得到更好的甜瓜品種”。

為什么中國人更愛吃西瓜

前不久,一篇《中國人吃掉了世界上70%的西瓜》的文章火遍網絡,該文章稱“2016年,世界西瓜總產量1.17億噸,中國產量近8000萬噸,占世界總產量的68.4%……占世界人口20%的中國人,憑借一己之力種出了近70%的西瓜,又獨自吃光了它們。”

事實上,中國同樣是甜瓜的生產和消費大國,趙光偉介紹,“中國甜瓜的種植面積占全球45%以上,產量占全球55%以上,都是世界第一。所以,中國同樣也是甜瓜的消費大國”。

但即便如此,在絕對數量上,甜瓜的產量和消費量遠遠不如西瓜,統計數據顯示,同樣在2016年,中國甜瓜的產量只有不到1200萬噸,不到西瓜的六分之一。

中國人為什么更愛吃西瓜?中國農業科學院深圳農業基因組研究所助理研究員練群推測,這可能和飲食習慣有關,“相對來說,中國人吃西瓜更多,外國人吃甜瓜更多,其中原因很難解釋,可能和飲食習慣有關,也可能和夏季消費的特點有關,夏季炎熱,水分含量更高的西瓜可能更受歡迎”。

西瓜、冷飲、空調,被稱為當代消暑的“三大神器”,趙光偉也覺得,西瓜消費量更高,或許和它主要在夏季成熟有關。

在網上,也有很多相關的猜測和討論,有人認為中國人更愛吃西瓜,是因為“中國大部分地方適合種西瓜,對普通人來說,西瓜更容易獲得,且價格更低,因此形成了特有的飲食習慣”,不過,是否真的如此?仍待探尋。

此外,值得一提的是,并不是所有的西瓜都適合消暑。在西瓜大家族中,它還有很多不同功能的“兄弟”,許勇介紹,“按照不同的分法,西瓜可以細分為很多類型。植物學上的分法,西瓜有7個種。如果按照功能來分,又可以分為食用、飼用、藥用等,飼用西瓜在非洲種的比較多,它雖然不苦,但也不甜,所以用來當飼料。還有藥用西瓜,因為西瓜是葫蘆科植物,含有大量的葫蘆素,而葫蘆素具有一定的保健價值,所以也被用來入藥。不過藥用西瓜很苦,比飼用西瓜更不適合食用。”

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