黃瓜“神奇”卷須 背后的秘密

李晨

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

達(dá)爾文的卷須之問

在設(shè)施生產(chǎn)上，黃瓜栽培需要吊蔓生長，不需要黃瓜卷須的攀緣能力。同時，卷須作為營養(yǎng)器官爭奪了大量生殖器官即黃瓜生長所需的養(yǎng)分。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員黃三文表示，在生產(chǎn)上需要及時去除卷須，以促進(jìn)黃瓜的健康生長、保證產(chǎn)量。而人工去除卷須費時費工。因此，培育適合輕簡化栽培的無卷須品種，將成為黃瓜株型改良的一個重要方向。

2010年，黃三文團(tuán)隊開始從基因組學(xué)中尋找這一實際生產(chǎn)問題的答案，結(jié)果卻意外地解答了一百多年前困擾達(dá)爾文的一個基礎(chǔ)生物學(xué)問題。

1875年，達(dá)爾文在《攀緣植物的運(yùn)動和習(xí)性》一書中發(fā)問：葫蘆科植物卷須的同源器官是什么？

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。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員楊學(xué)勇稱，通過鑒定世界范圍內(nèi)的3342份黃瓜種質(zhì)，團(tuán)隊從中發(fā)現(xiàn)了唯一的西雙版納無卷須黃瓜。在它的葉腋處，本來應(yīng)該生長卷須的位置，長出的是變態(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，其編碼是一個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，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，沿著這條路走下去，他們發(fā)現(xiàn)了黃瓜卷須另外兩個神奇之處。

轉(zhuǎn)錄因子是一類蛋白質(zhì)分子，承擔(dān)著啟動基因組中特定基因表達(dá)的功能。科學(xué)家已經(jīng)了解轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在基因的近端啟動子或遠(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。

楊學(xué)勇說，通過基因組學(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余個轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，并發(fā)現(xiàn)這些結(jié)合位點主要位于基因內(nèi)部。

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

通過分析，黃三文團(tuán)隊證明，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，主要乙酰化修飾組蛋白球體區(qū)域的H3，維持染色質(zhì)開放，從而激活靶標(biāo)基因表達(dá)。

“這項研究通過黃瓜卷須這個特殊的‘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)問題提出了新的見解，是發(fā)育生物學(xué)和基因表達(dá)調(diào)控領(lǐng)域的一個重要突破。”朱健康評價說。

黃三文認(rèn)為，TEN轉(zhuǎn)錄因子的上述特殊功能，可能讓其工作效率更高。黃三文團(tuán)隊計劃利用黃瓜為實驗體系，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)問題。同時，他們還要嘗試回答最初的問題。“希望利用這項研究成果，培育出沒有卷須、產(chǎn)量更高、栽培更輕簡化的黃瓜新品種。”黃三文說。（據(jù)《中國科學(xué)報》）