作者:王晓武等 来源:《自然—遗传》 发布时间:2016/10/13 14:27:33
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破解白菜和甘蓝类蔬菜驯化的秘密


王晓武在实验室工作。 

 

《自然·遗传》杂志的封面报道     中国农科院蔬菜所供图

白菜在我国是非常重要的蔬菜作物。蔬菜作物中,大白菜是我国种植面积和总产量最大的,年种植面积达3900万亩,产量198万吨,超过我国蔬菜总种植面积的13%,总产量的近20%,在保障蔬菜供应方面具有特殊的地位。

白菜和甘蓝类蔬菜是百姓餐桌上最常见的蔬菜。两类蔬菜发展到现在都形成了丰富多样的类型,并且原本看起来并没有联系的两个物种,却都能形成叶球或者膨大根(茎)这样非常相似的性状。为什么会出现这种情况?这是长期困扰着科学家的一个谜题。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员王晓武带领科研团队经过长达6年的研究,终于破解了白菜类和甘蓝类蔬菜作物驯化的秘密。日前,《自然·遗传》以封面文章的形式发表了这一成果。

研究始于兴趣

与粮食作物不一样,蔬菜作物有一个很重要的特点:产品多样性非常大。“蔬菜的根、茎、叶、花和果实等器官都可能成为收获的产品。这些产品器官经常很不一样。产品器官类型非常丰富,无论是从形状、形态还是颜色等,变化特别多,所以我们拿蔬菜来作研究有其独特性。”王晓武在接受《中国科学报》记者采访时表达了自己对蔬菜领域的热爱。

虽然吃的是同一种作物,却存在很大差别。比如白菜类蔬菜,常见的有大白菜、小白菜、芜菁、菜心;甘蓝类蔬菜,常见的则包括结球甘蓝、苤蓝、羽衣甘蓝、芥蓝、花椰菜、青花菜、孢子甘蓝等。

作为蔬菜,它们为人类的生活提供了丰富多样、类型各异的产品。无论是白菜还是甘蓝,即使是同一个种,产品器官差异也特别大。

两个物种为什么能被驯化出如此多样的类型一直是一个待解的难题,这让科学家对此产生了浓厚的兴趣。“我们希望通过研究来搞清楚,为什么同样一种作物能够分化出这么多各种各样的差别特别巨大的蔬菜类型。”王晓武说。

除此之外,还有另外一个原因吸引着研究团队。

“虽然是不同的蔬菜作物,但可以产生非常相似的蔬菜产品。”王晓武表示,比如白菜有结球的白菜,甘蓝也有结球的甘蓝,它们的球也是很相似的叶球,“不同的物种产生了非常相似的产品器官”。

更加有意思的是,它们又是在完全不同的地域、由不同文化背景的人、在不同的时段独立地被选择出来的。

两千年前,欧洲人将白菜驯化出根膨大的芜菁;500年前,中国人将白菜驯化出结球大白菜,欧洲人将甘蓝驯化出结球甘蓝;500年前,欧洲人将甘蓝驯化出茎膨大的苤蓝。

“这就是科学上非常有意思的趋同驯化的现象。”王晓武说。

综合这些原因,王晓武觉得这是一个非常值得研究的方向,所以研究团队选择了白菜和甘蓝这两类特定的作物,选择了结球和根(茎)膨大作为研究的性状来开展工作。

开发新算法探索“无人区”

开展这样的研究,团队投入了很多精力去做准备工作。因为需要测序大量材料,他们去搜集了世界各地遗传资源材料。

获得这些材料之后,“还有一个关键性工作,我们不希望测完的序列和获得的资源材料没有对应关系,所以还做了大量资源材料纯合的工作。”王晓武介绍。

此外,为了把白菜和甘蓝类蔬菜的性状调查清楚,研究团队每年都在田间种植下大批实验材料。每到调查的季节,所有团队成员都在地里做大量的调查分析工作。“白菜收获的季节已经很冷了,因为材料数量多、工作量大,科研人员两手冻得发抖了还在地里切白菜。”王晓武回忆。

所有的研究环节里都有一个很重要的问题,涉及了大量的基因组数据分析。“这项工作中,我们探索的方向都是芸薹属作物自己特有的特异性问题,做分析过程中没有现成的工具,很多都是‘无人区’,这意味着分析的每一步都是新研发的工作,需要开发新的算法。”中国农业科学院蔬菜花卉研究所副研究员程峰在参与其中时深深地感到了研究之困难。

基因组数据本身就是一种海量的数据。“因为是开辟一个新的问题,在做分析的时候很耗费时间,我们不断地调整算法、调整参数、开发算法工具等。每重新算一遍,其周期都比较长,投入了很多时间和精力去做这个事情。”程峰在接受《中国科学报》记者采访时感慨着成果的来之不易。

“特别是白菜作物有个非常特殊的情况,里头很多的基因经过了重复,相似性非常高,我们需要开发一些算法把这些既相似又不相同的基因区分开来。这里面有很多原来传统研究里没有的基因组分析工具,需要我们发掘出很多原来没有的算法。”王晓武表示,最后的成果与他们新的算法以及大量的资源材料是分不开的。

具有重要的现实意义

研究团队完成了白菜和甘蓝类蔬菜作物代表材料的基因组重测序,构建了白菜和甘蓝类蔬菜的群体基因组变异图谱。在充分利用模式物种拟南芥基因组丰富的基因信息基础上,分别确定了一大批白菜和甘蓝叶球形成与膨大根(茎)驯化选择的基因组信号与相关的基因。

研究获得了白菜和甘蓝类蔬菜作物全基因组的大量变异,确定了一批与白菜类和甘蓝类蔬菜叶球形成和根(茎)膨大有关的重要基因,为加快白菜类与甘蓝类蔬菜分子育种奠定了重要基础。

研究还发现白菜和甘蓝这两个物种分别产生结球白菜和结球甘蓝,芜菁和苤蓝这样具有相似的产品器官的现象与其共同祖先的一次全基因组三倍化事件有关。

专家表示,这是第一次非常系统地通过基因组的分析,搞清楚了和叶球形成有关系的基因,也搞清楚了和根(茎)膨大有关系的基因。

这是生物学里非常普遍而重要的问题。通过这项工作,科研人员破解了背后基因组变化的规律,对于将来理解其他性状的形成,包括其他作物类似性状的形成都有很大的帮助。

其中还有一个关键的成果,就是科学家通过基因组分析,建立了一套全新的方法来研究结球的性状、根(茎)膨大的性状。“整个方法都是很新的、比较独特的,这套方法也可能用到其他作物的结球性状,或者白菜和甘蓝的其他性状的研究里。建立的这套通过驯化比较分析的方法,对于其他研究也有很大的帮助意义。”王晓武说。

“确定了这些基因,对于将来培育叶球性状更好的白菜和甘蓝提供了非常好的基础。将来我们可以把结球的基因导入到不结球的材料里,让不结球的白菜变成能结球的白菜。”王晓武说。

在育种过程中经常遇到一个问题,比如有一个抗病的基因在不结球的材料里,如果想把它导入到结球的白菜里,同时还要保证结球的性状不能丢失,这就十分困难。

“现在,我知道哪些基因参与了结球,那在导入过程中,我可以尽可能地通过标记追踪这些基因让它保存下来。”王晓武表示,有了这些基因后,对于培育结球的白菜、结球的甘蓝等都有很重要的意义,对育种有非常大的帮助,“甚至在完全摸清基因的功能后,将来我们还可以改造基因、对目标性状进行设计等。”(来源:中国科学报 张晴丹)

 
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