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【新京报】西瓜如何由苦变甜 科学家首次揭开西瓜甜瓜驯化史

来源:新京报 作者:周怀宗 2019-11-04 09:03:00 浏览量:

  新京报讯(记者 周怀宗)西瓜是夏季水果之王,蜜汁一般的甜瓜同样是水果中最受欢迎的种类。然而,在远古时代,当它们还没有被人类驯化时,绝大多数甜瓜并不甜,西瓜也不是红色的,同样也不是甜的。

  它们是怎么变甜的?又是怎么变成今天的模样的?一直以来争议颇多,甚至成了历史之谜。

  今天,这个谜底被揭开了。

  北京时间11月2日零点,《自然-遗传学》以两篇长文形式在线发表了两项由我国科学家主导的瓜类作物基因组研究成果,并同时刊发了相应的专评和社评。两项研究分别构建了甜瓜和西瓜的全基因组变异图谱,在遗传分子机制的层面,揭示了两种水果的驯化历史及果实品质的演变。

  据介绍,上述两项研究是中国农科院郑州果树研究所、北京农林科学院及深圳农业基因组研究所协同创新的成果。

  甜瓜、西瓜驯化史。据《自然-遗传学》

  

  西瓜的驯化史,它们原本不红也不甜

  在植物学里,西瓜属于葫芦科西瓜属,下有7个种。野生的西瓜并不甜,有的还是苦的,而且,绝大部分的野生西瓜瓤也不是红色的。

  大约4000年前,人类开始第一次驯化栽培西瓜。最初的起源已经不可靠,或许是某一个人类的祖先,偶然发现了一个没有苦味的变异种,觉得可以作为人类的食品,因此决定栽培它,然后在另外一次偶然的变异中,一个甜美多汁的西瓜出现了,在获取糖分非常困难的原始时代,这个甜美多汁的西瓜,因此被广泛栽培,迅速传播开来,成为人类获得糖分最便捷的途径之一。

  国家西甜瓜产业技术体系首席科学家、西瓜论文共同通讯作者、北京市农林科学院研究员许勇告诉新京报记者,“西瓜是葫芦科,含有大量葫芦素,这是它苦味的来源,野生的西瓜大部分是苦的。苦味有一定的预防病虫害的功能,甜味则更容易诱发病虫害,所以从防御的角度看,苦味是有利于野生西瓜生存和繁衍的。”

  当西瓜被人类驯化之后,西瓜的果实大小、果肉含糖量、味道、瓤色、质地甚至口味都变得越来越适合人类需要。据介绍,此次研究“采用单分子测序、光学图谱与Hi-C三维基因组联合分析,完成了高质量的西瓜基因组序列图谱。继而对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。在此基础上,首次明确了西瓜7个种之间的进化关系。同时确定了西瓜驯化的起源和系统进化关系”。

  西瓜驯化的秘密是如何被解开的?许勇说,“基于全新一代西瓜基因组高质量精细图谱,我们鉴定获得了与果实含糖量、瓤色等多个重要农艺性状关联的基因组位点,为候选基因的精细定位和功能验证提供了宝贵线索。通过进一步进化和驯化分析,系统解析了野生西瓜到栽培西瓜的基因组驯化历史,鉴定获得了西瓜含糖量、瓤色、苦味等重要品质性状的选择区域及候选基因,并利用CRISPR基因编辑技术对参与光合产物卸载的α-半乳糖苷酶基因ClAGA2进行了功能验证,首次揭示了西瓜‘甜蜜基因’驯化的秘密。”

  甜瓜的驯化史,茸毛决定“身份”

  和西瓜相比,甜瓜的驯化史更加复杂。

  最早的甜瓜驯化事件,同样发生在非洲的苏丹。那里长期干旱,适宜甜瓜和西瓜生长,这可能是它们在那里最早被驯化的原因之一。

  但这一起源并非毫无争议,近几年来,科学家们发现,位于亚洲的印度可能也是甜瓜的起源地之一。

  一般来说,甜瓜分为两类,厚皮甜瓜和薄皮甜瓜。厚皮甜瓜如哈密瓜、网纹瓜等,一共有11个变种。薄皮甜瓜通常被称为香瓜,有5个变种。但区别两者的主要标志,却不是皮的厚度,而是幼瓜表面是否有茸毛,薄皮甜瓜有茸毛,厚皮甜瓜没有。

  在以前,人们普遍认为两类甜瓜同源而生,但基因大数据分析显示,它们来自不同的源头。

  研究团队历时5年,分析了千余份甜瓜种质资源的基因组变异,共鉴定了560万个SNP,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。研究还受到中国农科院科技创新工程、现代农业产业技术体系、国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省珠江计划、深圳市孔雀计划和大鹏新区等资助。

  甜瓜论文的第一作者、中国农业科学院郑州果树研究所副研究员赵光伟告诉新京报记者,“通过基因分析,我们发现,现代甜瓜的祖先大都来自印度,但薄皮甜瓜和厚皮甜瓜并非同一个祖先,而是来自两个不同的野生群体。这意味着,甜瓜的驯化史中,出现过3次独立的驯化事件,第一次是非洲的驯化,仅驯化出了原始的非洲栽培甜瓜类型。另外两次都在印度,这两次驯化共同演化成现代甜瓜群体——薄皮甜瓜和厚皮甜瓜”。

  薄皮甜瓜和厚皮甜瓜不是同一个祖先。研究发现,至少有两个证据证明这一点。

  赵光伟介绍,“第一是苦味的演变。通过分析,我们发现薄皮甜瓜和厚皮甜瓜分别驯化不同的控制苦味形成的基因。厚皮甜瓜的驯化更加彻底,苦味完全消失,不管是幼瓜还是熟瓜,都是不苦的。相对来说,薄皮甜瓜的幼瓜是苦的,成熟后瓜蒂部分也还有苦味,此外,某些特定环境下如干旱、低温等,也会导致甜瓜变苦”。

  第二个证据是酸味的演变,赵光伟说,“野生的甜瓜,不管哪种,熟了以后都带有很强的酸味,但栽培的都不酸。2014年,以色列的一项研究认为,甜瓜在驯化中通过PH基因的变异导致失去了酸味。但我们发现,这一结论在厚皮甜瓜中是符合的,但和薄皮甜瓜不符,我们通过分析,在薄皮甜瓜中定位到了一种与柠檬酸合成相关的‘柠檬酸合成酶’基因,存在着不同的驯化机制。”

  未来我们会有更好吃的瓜吗

  构建甜瓜和西瓜的全基因组变异图谱,究竟有何意义?会让未来的驯化和育种变得更容易吗?我们会有更好吃的瓜吗?

  答案是肯定的。西瓜论文第一作者、北京市农林科学院郭绍贵研究员说,“在西瓜方面,我们构建了全新一代西瓜基因组高质量精细图谱。有了这个基因组图谱,未来的遗传育种工作会变得更精准。举例来说,以前我们想定位一个基因,只能在黑箱子里摸索,摸到了就可以做到,摸不到就无法获得我们想要的结果。现在可以精准定位,直接找到我们想要的优势基因。此外,我们构建的西瓜全基因组遗传变异图谱,可能帮助我们在未来的遗传育种中,有目的的聚合特定的基因,让西瓜变得更好。用比较通俗的话来举例,假如我们发现了一种抗性更好、产量更高的西瓜,但味道不好,怎么办呢?以前我们只能慢慢摸索,和甜的西瓜杂交,可能很多次后,偶然会得到兼具两者优势的新品种,也可能不会。但在未来,我们就可以直接定位甜的基因,把它组合进去,可以明确地知道我们可以得到兼具两者优势的新品种”。

  甜瓜的基因研究同样为甜瓜遗传育种工作提供了更好的基础,赵光伟说,“假如我们发现了某个糖度变异的甜瓜,它变得更甜了,我们就可以找到这个变异的基因,加以标记,通过分子标记的方法,然后在育种中精准选择,就能得到更好的甜瓜品种”。

  为什么中国人更爱吃西瓜

  前不久,一篇《中国人吃掉了世界上70%的西瓜》的文章火遍网络,该文章称“2016年,世界西瓜总产量1.17亿吨,中国产量近8000万吨,占世界总产量的68.4%……占世界人口20%的中国人,凭借一己之力种出了近70%的西瓜,又独自吃光了它们。”

  事实上,中国同样是甜瓜的生产和消费大国,赵光伟介绍,“中国甜瓜的种植面积占全球45%以上,产量占全球55%以上,都是世界第一。所以,中国同样也是甜瓜的消费大国”。

  但即便如此,在绝对数量上,甜瓜的产量和消费量远远不如西瓜,统计数据显示,同样在2016年,中国甜瓜的产量只有不到1200万吨,不到西瓜的六分之一。

  中国人为什么更爱吃西瓜?中国农业科学院深圳农业基因组研究所助理研究员练群推测,这可能和饮食习惯有关,“相对来说,中国人吃西瓜更多,外国人吃甜瓜更多,其中原因很难解释,可能和饮食习惯有关,也可能和夏季消费的特点有关,夏季炎热,水分含量更高的西瓜可能更受欢迎”。

  西瓜、冷饮、空调,被称为当代消暑的“三大神器”,赵光伟也觉得,西瓜消费量更高,或许和它主要在夏季成熟有关。

  在网上,也有很多相关的猜测和讨论,有人认为中国人更爱吃西瓜,是因为“中国大部分地方适合种西瓜,对普通人来说,西瓜更容易获得,且价格更低,因此形成了特有的饮食习惯”,不过,是否真的如此?仍待探寻。

  此外,值得一提的是,并不是所有的西瓜都适合消暑。在西瓜大家族中,它还有很多不同功能的“兄弟”,许勇介绍,“按照不同的分法,西瓜可以细分为很多类型。植物学上的分法,西瓜有7个种。如果按照功能来分,又可以分为食用、饲用、药用等,饲用西瓜在非洲种的比较多,它虽然不苦,但也不甜,所以用来当饲料。还有药用西瓜,因为西瓜是葫芦科植物,含有大量的葫芦素,而葫芦素具有一定的保健价值,所以也被用来入药。不过药用西瓜很苦,比饲用西瓜更不适合食用。”