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文化大观

北京科学家破译西瓜基因组序列

可控西瓜甜度、大小、颜色、形状、抗病能力

西瓜样品与基因图谱

西瓜作为世界五大水果之一,是全球重要的经济作物和夏季消暑水果。据联合国粮农组织统计,中国西瓜年产量占世界的67%,也是全球西瓜人均消费量最大的国家。 姜宝泉摄

拴在秧上的苹果西瓜

许勇展示今年新培育出的可以削皮吃的苹果西瓜。

北京时间今天凌晨,国际学术顶级刊物《自然·遗传学》在线发表的一篇论文,引来全球学术界高度关注——北京市农林科学院蔬菜研究中心向世界宣布:第一张西瓜基因组序列图谱已完成绘制与破译,这如同打开了西瓜生命活动的“黑匣子”。按照人们的意愿去控制西瓜的甜度、大小、颜色、形状、抗病能力……不再是天方夜谭。

4年测出西瓜基因23000余个

中国主导完成的世界第一张西瓜基因组序列图谱,也是植物基因组领域研究的又一突破性重大成果,标志着我国西瓜基因组学研究取得了国际领先地位。

西瓜基因组序列图谱,让世人刮目相看的背后,是4年的艰辛付出。 

主持该项科研的北京市农林科学院蔬菜研究中心主任、国家西甜瓜产业体系首席科学家许勇研究员,昨天向记者介绍说,他们采用“全基因组鸟枪法”测序策略,进行双末端测序,得到总量约为46G的基因序列数据,历经4年多的艰苦努力,获得了高质量的西瓜基因组序列。

“拼接后的序列覆盖83.2%的西瓜基因组,在解码的西瓜基因组中共鉴定出约23440个基因,其中96.8%的基因已经精确定位到染色体上。”许勇自豪地说,这样高的完成质量,在全球相关领域也是名列前茅。

黄瓜西瓜曾是一家

西瓜和黄瓜,看似风马牛不相及的两种东西,竟然曾是“一家人”。昨天,在谈及绘制、破译西瓜基因组序列图谱有哪些现实意义时,许勇研究员抛出了这样一个有趣的话题。

许勇说,通过基因序列图谱,科学家为西瓜做了进化分析,结果表明:西瓜的“老家”在非洲。现代栽培西瓜的11对染色体,是由21对祖先染色体经过复杂的断裂和融合过程进化而来,而半野生西瓜是现代栽培西瓜最直接的祖先。“在数千万年前,咱们生活中常见的黄瓜、西瓜,还是一种东西。直到1500万年到2300万年前,西瓜、黄瓜‘兄弟’俩才分了家,我们叫做物种分化。而后,经过了岁月变迁、无数次自然选择、人工培育,这才变成了它们今天的样子。”许勇说。

可育出“百毒不侵”瓜

基因组序列图谱的意义,当然远不止于为西瓜寻根溯源。“我们在追溯西瓜的历史时发现:大量抗病基因在从野生西瓜到现代栽培西瓜的进化和人工驯化过程中丢失。这意味着,恢复这些丢失的基因,我们就能育出‘体格’倍儿壮,甚至‘百毒不侵’的西瓜。”许勇说。

眼下,培育高抗病瓜的研究已经启动。许勇举例说,市农林科学院的科学家们已进行了西瓜维管束与果实发育转录组测序,清晰绘制了西瓜植株信号传导和调控、果实成熟糖代谢与调控以及瓜氨酸代谢的基因网络。

在此基础上,研究人员获得了西瓜之所以能够抵抗枯萎病、炭疽病、白粉病与病毒病等病症的候选基因或基因标记。“这一研究结果,不但能够帮我们把西瓜的‘体格’育得更壮实,还可应用到分子标记辅助育种实践,为解析西瓜重要性状的代谢网路调控提供新的理论。那又将是一个足以震动国际学界的理论成果。”许勇踌躇满志地说。

变口味、换颜色、改形状

破译了基因组序列图谱,也就掌握了西瓜全部的生命奥秘。这不仅能帮人们培育出“百毒不侵”瓜,还能让人们得以通过控制基因,轻松改变西瓜的含糖量、瓤色、果肉硬度、芳香味、瓜子大小、瓜子数量,甚至西瓜的形状、大小、表皮颜色、条纹样式……

许勇介绍说,从半野生西瓜到现代栽培西瓜的驯化过程中,研究人员发现多个基因组区域受到强烈选择,进而形成了现代栽培西瓜独有的含糖量高、早熟等生物学特征。“掌握了这些基因组,也就抓住了西瓜甜不甜的关键。”许勇说。

以往,为了培育出一个高品质的西瓜品种,可能要付出几代人的心血,需要一点点地去杂交、提纯、改良。“有了基因序列图谱,培育新品种的过程将大大缩短。比如,人们需要特别甜的瓜,就把控制甜度的基因接入就可以了。”许勇说。“此外,我们还对20份代表性西瓜重测序,获得了678万个单核苷酸多态性位点和96万个插入缺失标记位点。这些为下一步深入开展西瓜生物学研究和改良育种提供了海量的数据基础。”许勇语带自豪。

给西瓜建起“指纹库”

许勇的研究团队在开展西瓜基因组基础研究的同时,还应用现代分子生物学技术结合常规育种,构建了1000多份西瓜资源的DNA指纹库。

“依靠指纹库,我们筛选鉴定出一批抗枯萎、病毒、白粉病的抗源,建立了多个抗病性与性别及品质性状的分子标记辅助育种技术体系,大大提高了常规育种的效率。”许勇说。

目前,指纹库的成就已经显现:据此选育出的“京欣”系列西瓜品种,已成为我国早春保护地早熟栽培的主栽品种,近5年内累计推广种植面积达到800万亩,创新社会经济效益60亿元。农林科学院蔬菜研究中心的西瓜良种产业化规模居全国科研院所前列。

(编辑:黄奥)

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