南瓜基因组测序揭示了不寻常的进化史

对于一些人来说，南瓜会带来雕刻的万圣节装饰，但对于世界各地的许多人来说，这些葫芦提供了营养。博伊斯汤普森研究所(BTI)和北京蔬菜国家工程研究中心的科学家们对两种重要的南瓜种群 - 南瓜(Cucurbita maxima)和南瓜(Cucurbita moschata)的基因组进行了测序。完成的基因组出现在10月份的“分子植物”杂志上，该杂志突出了其封面上的工作。

“南瓜在许多发展中国家被用作主食，并在世界各地以其烹饪和观赏用途进行栽培，”BTI副教授，康奈尔植物病理学兼职副教授，该论文的高级作者张军飞说。 。世界上超过三分之二的南瓜，南瓜和葫芦仅在亚洲生产。

研究人员对这两种不同的南瓜物种进行了测序，以更好地了解它们对比的理想特性：南瓜(Cucurbita moschata)因其对疾病和其他压力(如极端温度)的抗性而闻名，而C. maxima因其果实品质和营养而闻名。

此外，这两种物种的混合物，称为“Shintosa”，具有比C. moschata更大的胁迫耐受性，并且经常被用作其他葫芦科作物的砧木，例如西瓜，黄瓜和甜瓜。种植者将从其根部切下南瓜幼苗，并将其他葫芦的茎与其融合，从而使它们具有强壮，抗性的根。

一旦破译，基因组序列是进一步科学研究和繁殖南瓜作物的重要资源。通过分析基因组，研究人员将能够识别与南瓜所需特征相关的许多基因，并更好地了解“Shintosa”杂种的极端表型背后的遗传学。

“高质量的南瓜基因组序列将导致更有效地解剖重要农艺性状的遗传，从而加速南瓜改良的繁殖过程，”费说。

在葫芦科世界，这意味着更快地抵抗诸如枯萎病或白粉病等疾病的繁殖 - 白色薄膜很多园丁可能会发现杀死他们的南瓜叶，或者增加类胡萝卜素的产生 - 与眼睛健康相关的橙色色素，以及其他好处。

虽然基因组测序的最终目标是能够将特定基因与其控制的性状联系起来，但南瓜测序结果也揭示了南瓜属物种的有趣进化历史。

与西瓜11或黄瓜7相比，葫芦科具有20对染色体的大基因组。这是南瓜基因组很久以前扩展的第一条线索。通过比较Curcurbita基因组序列与其他瓜类的基因组序列，研究人员发现南瓜基因组实际上是两个古老基因组的组合，使其成为古四倍体。

虽然今天南瓜被认为是二倍体，意味着它每个染色体只有两个拷贝，但基因组序列分析显示，在3到2亿年前，两种不同的祖先物种将它们的基因组结合起来产生同源四倍体 - 一种新物种。每个染色体的四个(四)拷贝，来自两个不同的(allo-)物种。

通常在形成异源四倍体后，基因组将经历缩小和基因丢失，最终将新物种转化回二倍体。有时，其中一个有贡献的基因组将主导其他基因组以保留更多基因，这种现象在玉米和棉花中观察到。

有趣的是，对于南瓜而言并非如此。古老的南瓜同源四倍体从两个贡献的二倍体中随机丢失了其重复的基因。此外，祖先的染色体基本保持完整，现代南瓜留下了两个亚基因组，代表了对古四倍体有贡献的古老物种。

“我们很高兴地发现南瓜目前的两个亚基因组在很大程度上保持了两个祖细胞的染色体结构，尽管至少有三百万年共享相同的细胞核，”该论文的第一作者和BTI博士后的吴珊说。

下次你雕刻南瓜时，花一点时间思考它到达这里的好奇的进化路径，以及现在拥有基因组序列的育种者将如何更好地改善南瓜以帮助养活全世界数百万人。