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青岛农大张忠华教授瓜类基因组研究成果发表于《自然•通讯》杂志

时间:2019-11-14 来源:宣传部

黄瓜、甜瓜、西瓜、葫芦、冬瓜、南瓜、丝瓜等瓜类作物都属于葫芦科,起源于共同的祖先,其产品器官都是果实,但果实的形态和风味丰富多样,冬瓜的果实长度甚至可长达1米之多。这些种类繁多的瓜类作物在基因水平上是如何演化形成的,一直是科学上的未解之谜。11月14日,国际权威学术期刊《自然•通讯(Nature Communications)》在线发表了冬瓜基因组和变异组研究成果,阐明了黄瓜、甜瓜、西瓜、葫芦、冬瓜和南瓜等瓜类作物的基因组演化历史,揭示了冬瓜等果实在驯化和育种改良过程中由小变大的分子机制。该研究不仅为葫芦科进化和物种形成提供了新见解,而且为冬瓜等瓜类作物分子生物学研究和全基因组设计育种奠定了基础,具有重要的科学和应用价值。该成果由多个单位共同协作完成,青岛农业大学园艺学院张忠华教授为论文通讯作者,负责整个项目的构思、设计和组织。

该研究首次绘制了冬瓜的基因组精细图谱,并据此揭示了瓜类作物的基因演化历史。研究发现,冬瓜含有2万7千多个基因,重复序列的大量扩增导致其基因组比其它瓜类作物大2-3倍。研究人员通过比较发现,冬瓜是所有已知瓜类作物中保留祖先基因状态最多的最保守的作物,以此推断出所有瓜类作物起源于一个拥有15条染色体的祖先基因组,经过多次断裂和融合等事件后,形成了目前丰富多彩的瓜类作物。

冬瓜分化和驯化历史

瓜类作物的果实都经历了由小变大的过程。本月2日,国际权威期刊《自然•遗传学(Nature Genetics)》分别报道了甜瓜和西瓜的驯化历史和果实品质的分子机制(张忠华教授为共同第一作者),但冬瓜的驯化历史尚未揭示,冬瓜巨型果实的分子机制也有待解析。在冬瓜基因组精细图谱的基础上,本研究又分析了146份冬瓜资源,构建了一张包括1600万个单核苷酸多态性位点(SNPs)的全基因组遗传变异图谱。研究发现,冬瓜起源于印度,果实变大经历了野生种-地方种-栽培种两步进化过程,有上千个基因发生了变化,其中两个控制冬瓜果实大小的候选基因还在黄瓜、西红柿等果实发育过程中起到重要作用。

瓜类作物基因组演化

该成果由广东省农业科学院蔬菜所、中国农业科学院蔬菜花卉研究所、青岛农业大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所、华北理工大学、加州大学戴维斯分校等单位共同协作完成。青岛农业大学园艺学院张忠华教授是该论文最后通讯作者,此前,张忠华教授作为(共同)第一或通讯作者破译了第一个瓜类作物-黄瓜的基因组密码(Nature Genetics,2009;GigaScience, 2019),解析了黄瓜的驯化历史和多样性遗传机制(Nature Genetics,2013),揭示了甜瓜的驯化历史和果实品质的分子机制(Nature Genetics,2019),阐明了黄瓜全部开雌花的遗传机理(Plant Cell,2015),并为黄瓜苦味物质合成和调控机理解析提供了关键基因(Science,2014),这些工作为推动瓜类作物研究进入组学时代和全基因组分子设计育种奠定了基础。研究得到国家自然科学基金、广东省科技计划、国家重点研发计划、泰山学者计划等资助。

文章链接:The wax gourd genomes offer insights into the genetic diversity and ancestral cucurbit karyotype (https://doi.org/10.1038/s41467-019-13185-3)

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