為什么種植的葫蘆沒細腰？

葫蘆簡介

葫蘆科 (cucurbits) 有許多重要的經(jīng)濟物種，很多都具有食用、藥用或觀賞價值，如黃瓜 (Cucumis sativus)、甜瓜 (Cucumis melo)、西瓜 (Citrullus lanatus)、葫蘆 (Lagenaria siceraria)、冬瓜 ( Benincasa hispida）和南瓜（Cucurbita spp.）等……

我們前邊提到的幾種作物全基因組測序都已經(jīng)完成[1]，研究人員還開發(fā)了葫蘆相關(guān)的https://www.b5b6.com/shujuku/，Home-CBGD，整理了不同葫蘆品種的基因組、轉(zhuǎn)錄組、表型差異及分子標記[2]，方便我們對它進行研究。

12 種植物的系統(tǒng)發(fā)生樹及基因的進化。 節(jié)點旁邊的藍色數(shù)值表示每個節(jié)點的估計發(fā)散時間（MYA，百萬年前）。 基因家族：每個物種的基因家族數(shù)量； 家族中的基因：可以聚集到基因家族中的基因數(shù)量； 總基因：每個物種的總基因數(shù)。

已經(jīng)完成全基因組測序的物種。在進化上，葫蘆與西瓜的親緣關(guān)系更近一些，其次是冬瓜，與黃瓜、甜瓜的關(guān)系稍遠。

葫蘆https://www.b5b6.com/shujuku/ GourdBase 中展示的葫蘆果實形狀差異。

葫蘆果實基本可以分為球形、矮柱形、長柱形、梨形等主要類型。瓢葫蘆基本可以看作是梨形果實，亞腰葫蘆又是在梨形果實的基礎(chǔ)上增加了亞腰。

葫蘆果實有沒有亞腰，可以看作一對相對性狀。果實形狀也是重要的農(nóng)藝性狀，是育種計劃中需要考慮的一個重要因素。

對我們做遺傳的人來說，差異性狀的背后就是不同的基因。瓢葫蘆和亞腰葫蘆在果實形狀上存在差異，就是因為不同品種控制果實發(fā)育的相關(guān)基因不同造成的。

粗腰和亞腰可以看作葫蘆果實的一對相對性狀

果實發(fā)育受基因調(diào)控

基因的作用很強大，單就果實性狀而言，基因決定著果實的大小、長短、形狀、切開以后的腔室數(shù)目、顏色、營養(yǎng)物質(zhì)的成分及含量……

不同生長軸上細胞數(shù)量的變化，會影響果實形狀是圓還是細長。果實較長的黃瓜自交系材料，在縱軸向上的細胞數(shù)量高于果實較短的黃瓜[3]。在瓜類、黃瓜和西瓜中，成熟果實的形狀與子房的高度有關(guān)，可以在授粉前確定果實形狀[4][5]。目前也發(fā)現(xiàn)一些基因及 QTL ，如基因 CsFUL1、CsSUP 等，可以影響黃瓜果實的形狀及果實大小[6][7]。

9 個黃瓜自交系的子房和果實照片，及不同的子房和果實對應(yīng)的細胞圖片。細胞數(shù)量的變化，影響果實的形狀及大小。

成熟果實的形狀與子房的高度有關(guān)，可以在授粉前確定果實形狀

與黃瓜果實發(fā)育相關(guān)的一些基因或者 QTL 位點

細胞增殖通常發(fā)生在果實生長的早期階段，最終決定果實中細胞的數(shù)量，影響果實的大小[8]。番茄的 SUN 基因編碼一個 IQD 家族鈣調(diào)蛋白，誘導(dǎo)果實伸長[9]。FAS 和 LC 決定了心室的數(shù)量并在一定程度上調(diào)節(jié)果實形狀[10]，OVATE 是一個負調(diào)控因子，通過轉(zhuǎn)錄抑制起作用[11]。

番茄馴化過程中果實大小增加。野生種 S. pimpinellifolium (a)，中等大小加工品種 E6203 (b) 和大型品種 Jumbo Red（c）。 果實從 a 增加到 b 主要是通過增加細胞分裂，而從 b 到 c 是通過增加室數(shù)來實現(xiàn)的。 免疫染色顯示了影響果實大小的 YABBY 轉(zhuǎn)錄因子 fas 在花發(fā)育不同階段的表達模式。

番茄的 SUN 基因編碼一個 IQD 家族鈣調(diào)蛋白，誘導(dǎo)果實伸長。過表達 SUN 可以讓圓果實的番茄（pp）長長，敲低 SUN 可以讓長果實的番茄（ee）變圓。

不同番茄突變體的果實形狀，圖中 S，O，LC，F(xiàn) 是基因名稱 SUN，OVATE，LC，F(xiàn)AS 的縮寫。番茄信息詳見 http://solgenomics.net/

亞腰葫蘆的亞腰成因

目前也有關(guān)于葫蘆果實形狀方面的研究[12]，一些其他作物中調(diào)控果實形狀的基因（比如 SUN，OFP，AP2 等），在葫蘆中也有類似功能的同源基因。但由于亞腰這一性狀比較特殊，其他作物果實沒有葫蘆這么突出的亞腰性狀，基因組學(xué)未能直接揭示亞腰成因[1][2][12]。

果實的發(fā)育不是我的研究方向，我看到的文獻也有限。所以目前還不能直接解答到底是什么基因，怎么影響了發(fā)育，如何決定了亞腰性狀。

但是我種過亞腰葫蘆，亞腰其實開花的時候就能看出來。葫蘆的果實形狀有沒有亞腰是品種決定的，可以通過授粉前的母本子房判斷。人為約束可以改變果實形狀，但是正常亞腰葫蘆果實的亞腰并不是人為約束出來的。

亞腰葫蘆授粉前的母本子房就是亞腰的

對于亞腰葫蘆的果實發(fā)育，我們可以做出一些推測：

花是節(jié)間縮短的變態(tài)枝，亞腰在起源上可能類似于莖的節(jié)間；植物激素在亞腰的發(fā)育過程中起作用，亞腰是激素極性、不對稱分布造成的；細胞的數(shù)目、分裂方式、細胞大小的差異造成亞腰區(qū)域比較細；激素的區(qū)域性分布是基因調(diào)控的，瓢葫蘆和亞腰葫蘆在這些基因上有差異；改變相應(yīng)的基因，瓢葫蘆可以收腰，亞腰葫蘆可以變胖；即使沒有相應(yīng)基因，人為外源施加激素，也可能模擬基因的作用結(jié)果；亞腰基因可以用在其他植上，用于改善其果實觀賞性。如何研究葫蘆的亞腰機制

前邊我們提到，有沒有亞腰是一對相對性狀，差異性狀的背后就是不同的基因。那么研究葫蘆為什么產(chǎn)生亞腰，首要任務(wù)就是克隆出亞腰基因。

只要我們有性狀不同的材料，就能克隆出造成性狀差異的基因。亞腰基因的克隆方法，可以用經(jīng)典的圖位克隆，也可以采用測序方法克隆，還可以采用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）。克隆亞腰基因使用的葫蘆群體，可以是近等基因系，重組自交系，也可以用 F2 群體，雙單倍體群體等。

這里我們以上周的一篇文獻為例[13]，簡單設(shè)計一種方法，用 BSA 定位，研究亞腰葫蘆的亞腰性狀。

冬瓜是黃瓜近親，為研究冬瓜果實形狀，設(shè)計雜交。球形瓜 MY-1 與 長柱瓜 GX-1 雜交，后代 F1 介于二者之間，F(xiàn)2 可以分離出親本類型及中間類型。對 F2 進行分類，分別測序極端類型（球形 / 長形） F2 個體的基因組，計算 SNP 頻率，即可得到差異基因。

將亞腰葫蘆（YY）和瓢葫蘆（P）雜交，得到 F1，觀察性狀并繁殖；將 F1 自交，得到性狀分離的 F2 群體，并將其分類，并統(tǒng)計比例，如果是 1:2:1 或者 3:1 就是單基因差異造成的，如果分離比模糊難以界定就挑選極端類型；挑選 F2 群體中表型極端且明顯的瓢葫蘆（P-F2）與亞腰葫蘆（YY-F2）提 DNA，進行混池測序，中間難界定的模糊類型不測；分析測序結(jié)果，計算 SNP 頻率，獲得目標基因；敲除或過表達目標基因，進行驗證及后續(xù)的功能分析。

BSA 定位目標基因的流程圖解