西雙版納無(wú)卷須黃瓜的葉腋處，變態(tài)側(cè)枝在正常卷須的生長(zhǎng)位置替代了正常卷須。 楊學(xué)勇供圖

 

　　很多人都吃過(guò)黃瓜，可能還見(jiàn)過(guò)生長(zhǎng)中的黃瓜和它的莖蔓。那么，你注意過(guò)黃瓜的卷須嗎？你知不知道為了促進(jìn)黃瓜健康生長(zhǎng)，卷須常常會(huì)被農(nóng)民去掉？你會(huì)不會(huì)好奇黃瓜長(zhǎng)卷須的原因和它背后的植物生長(zhǎng)密碼？

 

　　科學(xué)家對(duì)這些問(wèn)題好奇，并在思考這一問(wèn)題的答案如何給人類帶來(lái)更大的農(nóng)業(yè)福利。

 

　　近日，《自然—植物》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組所、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所和美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校等6家單位的合作成果。他們發(fā)現(xiàn)，黃瓜卷須身份基因TEN是一個(gè)新型的多功能轉(zhuǎn)錄因子，能夠結(jié)合在基因內(nèi)部的增強(qiáng)子上，并通過(guò)乙?；揎椊M蛋白球體區(qū)域的賴氨酸，打開(kāi)染色質(zhì)，激活靶標(biāo)基因。

 

　　這個(gè)結(jié)果如何造福人類？我們從達(dá)爾文的一個(gè)疑惑說(shuō)起。

 

　　達(dá)爾文的卷須之問(wèn)

 

　　在設(shè)施生產(chǎn)上，黃瓜栽培需要吊蔓生長(zhǎng)，不需要黃瓜卷須的攀緣能力。同時(shí)，卷須作為營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)爭(zhēng)奪了大量生殖器官即黃瓜生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。論文通訊作者、中國(guó)農(nóng)科院研究員黃三文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在生產(chǎn)上需要及時(shí)去除卷須，以促進(jìn)黃瓜的健康生長(zhǎng)、保證產(chǎn)量。而人工去除卷須費(fèi)時(shí)費(fèi)工。因此，培育適合輕簡(jiǎn)化栽培的無(wú)卷須品種，將成為黃瓜株型改良的一個(gè)重要方向。

 

　　2010年，黃三文團(tuán)隊(duì)開(kāi)始從基因組學(xué)中尋找這一實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的答案，結(jié)果卻意外地解答了一百多年前困擾達(dá)爾文的一個(gè)基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題。

 

　　1875年，達(dá)爾文在《攀爬植物的運(yùn)動(dòng)和習(xí)性》一書中發(fā)問(wèn)：“葫蘆科植物卷須的同源器官是什么？”

 

　　這是因?yàn)?，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)豌豆（豆科）卷須的同源器官是葉，葡萄（葡萄科）卷須的同源器官是花序，而同樣的方法卻不能證明葫蘆科代表植物黃瓜卷須的同源器官是什么。

 

　　論文第一作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員楊學(xué)勇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，通過(guò)鑒定世界范圍內(nèi)的3342份黃瓜種質(zhì)，團(tuán)隊(duì)從中發(fā)現(xiàn)了唯一的西雙版納無(wú)卷須黃瓜。在它的葉腋處，本來(lái)應(yīng)該生長(zhǎng)卷須的位置，長(zhǎng)出的是變態(tài)側(cè)枝，替代了正常卷須，其側(cè)枝的末端還保留了卷曲的特征。研究人員克隆了控制卷須的身份基因TEN，其編碼一個(gè)CYC/TB1類轉(zhuǎn)錄因子，這類轉(zhuǎn)錄因子是植物株型調(diào)控的核心。

 

　　該研究成功回答了達(dá)爾文的葫蘆科卷須之問(wèn)，即黃瓜卷須的同源器官是側(cè)枝。

 

　　全新的多功能轉(zhuǎn)錄因子

 

　　“于是，我們就想知道TEN是如何調(diào)控黃瓜卷須形成的。”黃三文說(shuō)，沿著這條路走下去，他們發(fā)現(xiàn)了黃瓜卷須另外兩個(gè)神奇之處。

 

　　轉(zhuǎn)錄因子是一類蛋白質(zhì)分子，承擔(dān)著啟動(dòng)基因組中特定基因表達(dá)的功能?？茖W(xué)家已經(jīng)了解轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在基因的近端啟動(dòng)子或遠(yuǎn)端增強(qiáng)子上調(diào)控轉(zhuǎn)錄的機(jī)制。

 

　　“但最近的研究發(fā)現(xiàn)，CYC/TB1類的轉(zhuǎn)錄因子能夠結(jié)合到某些基因的內(nèi)部，從而激活下游靶標(biāo)。”中國(guó)科學(xué)院上海植物逆境生物學(xué)研究中心研究員朱健康說(shuō)。

 

　　楊學(xué)勇說(shuō)，通過(guò)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物化學(xué)等綜合分析，他們鑒定出TEN在黃瓜全基因組中的1700余個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)這些結(jié)合位點(diǎn)主要位于基因內(nèi)部。

 

　　研究人員鑒定出TEN通過(guò)C端結(jié)合在基因內(nèi)部的474個(gè)直接靶標(biāo)基因，主要參與腋芽發(fā)育和乙烯合成信號(hào)等生物學(xué)過(guò)程。這些基因內(nèi)部的調(diào)控位點(diǎn)是一類新型的基因內(nèi)部增強(qiáng)子。

 

　　通過(guò)分析，黃三文團(tuán)隊(duì)證明，TEN編碼的轉(zhuǎn)錄因子的N端結(jié)構(gòu)域是一類全新的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶，主要乙?；揎椊M蛋白球體區(qū)域的H3，維持染色質(zhì)開(kāi)放，從而激活靶標(biāo)基因表達(dá)。

 

　　“這項(xiàng)研究通過(guò)黃瓜卷須這個(gè)特殊的‘透鏡’，為解答結(jié)合到基因內(nèi)部的轉(zhuǎn)錄因子如何調(diào)控基因表達(dá)這一基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題提出了新的見(jiàn)解，是發(fā)育生物學(xué)和基因表達(dá)調(diào)控領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。”朱健康評(píng)價(jià)說(shuō)。

 

　　猜測(cè)：一種保守的調(diào)控機(jī)制

 

　　黃三文認(rèn)為，TEN轉(zhuǎn)錄因子的上述兩種特殊功能，可能讓其工作效率更高。

 

　　由于真核生物的組蛋白球體區(qū)域相對(duì)保守、非常相似，這引發(fā)科研人員思考：TEN的這種多功能性，在其他生物中存在嗎？研究人員首先在玉米中驗(yàn)證了tb1基因具有相同的分子機(jī)制，調(diào)控下游靶標(biāo)基因的表達(dá)。

 

　　為了在動(dòng)物中驗(yàn)證這一新機(jī)制，他們查閱了研究最多的人類中的增強(qiáng)子結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子的文獻(xiàn)。盡管人體中尚未找到類似的雙重功能的轉(zhuǎn)錄因子，但他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)是在基因內(nèi)部增強(qiáng)子上，組蛋白的球體區(qū)域的乙?；潭群芨?。“分子過(guò)程雖然還不清楚，但確實(shí)有這個(gè)相關(guān)性。”楊學(xué)勇說(shuō)。

 

　　研究人員推測(cè)，在真核生物中，組蛋白球體區(qū)域乙酰化可能是基因內(nèi)部增強(qiáng)子表達(dá)調(diào)控的一個(gè)保守機(jī)制。

 

　　黃三文團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用黃瓜為實(shí)驗(yàn)體系，破解植物次生代謝基因簇精確調(diào)控、性別決定、卷須形成等基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，他們還要嘗試回答最初的問(wèn)題。“希望利用這項(xiàng)研究成果，培育出沒(méi)有卷須、產(chǎn)量更高、栽培更輕簡(jiǎn)化的黃瓜新品種。”黃三文說(shuō)。

 

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0715-2

 

　　(單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所 )