为什么葫芦中间有个细腰呢？

源济

为什么葫芦中间有个细腰呢？

作者 / 鑫波和他的小鱼干

葫芦简介

葫芦科 (cucurbits) 有许多重要的经济物种，很多都具有食用、药用或观赏价值，如黄瓜 (Cucumis sativus)、甜瓜 (Cucumis melo)、西瓜 (Citrullus lanatus)、葫芦 (Lagenaria siceraria)、冬瓜 ( Benincasa hispida）和南瓜（Cucurbita spp.）等……

我们前边提到的几种作物全基因组测序都已经完成^[1]，研究人员还开发了葫芦相关的数据库，Home-CBGD，整理了不同葫芦品种的基因组、转录组、表型差异及分子标记^[2]，方便我们对它进行研究。

12 种植物的系统发生树及基因的进化。 节点旁边的蓝色数值表示每个节点的估计发散时间（MYA，百万年前）。 基因家族：每个物种的基因家族数量； 家族中的基因：可以聚集到基因家族中的基因数量； 总基因：每个物种的总基因数。

已经完成全基因组测序的物种。在进化上，葫芦与西瓜的亲缘关系更近一些，其次是冬瓜，与黄瓜、甜瓜的关系稍远。

葫芦数据库 GourdBase 中展示的葫芦果实形状差异。

葫芦果实基本可以分为球形、矮柱形、长柱形、梨形等主要类型。瓢葫芦基本可以看作是梨形果实，亚腰葫芦又是在梨形果实的基础上增加了亚腰。

葫芦果实有没有亚腰，可以看作一对相对性状。果实形状也是重要的农艺性状，是育种计划中需要考虑的一个重要因素。

对我们做遗传的人来说，差异性状的背后就是不同的基因。瓢葫芦和亚腰葫芦在果实形状上存在差异，就是因为不同品种控制果实发育的相关基因不同造成的。

粗腰和亚腰可以看作葫芦果实的一对相对性状

果实发育受基因调控

基因的作用很强大，单就果实性状而言，基因决定着果实的大小、长短、形状、切开以后的腔室数目、颜色、营养物质的成分及含量……

不同生长轴上细胞数量的变化，会影响果实形状是圆还是细长。果实较长的黄瓜自交系材料，在纵轴向上的细胞数量高于果实较短的黄瓜^[3]。在瓜类、黄瓜和西瓜中，成熟果实的形状与子房的高度有关，可以在授粉前确定果实形状^[4][5]。目前也发现一些基因及 QTL ，如基因 CsFUL1、CsSUP 等，可以影响黄瓜果实的形状及果实大小^[6][7]。

9 个黄瓜自交系的子房和果实照片，及不同的子房和果实对应的细胞图片。细胞数量的变化，影响果实的形状及大小。

成熟果实的形状与子房的高度有关，可以在授粉前确定果实形状

与黄瓜果实发育相关的一些基因或者 QTL 位点

细胞增殖通常发生在果实生长的早期阶段，最终决定果实中细胞的数量，影响果实的大小^[8]。番茄的 SUN 基因编码一个 IQD 家族钙调蛋白，诱导果实伸长^[9]。FAS 和 LC 决定了心室的数量并在一定程度上调节果实形状^[10]，OVATE 是一个负调控因子，通过转录抑制起作用^[11]。

番茄驯化过程中果实大小增加。野生种 S. pimpinellifolium (a)，中等大小加工品种 E6203 (b) 和大型品种 Jumbo Red（c）。 果实从 a 增加到 b 主要是通过增加细胞分裂，而从 b 到 c 是通过增加室数来实现的。 免疫染色显示了影响果实大小的 YABBY 转录因子 fas 在花发育不同阶段的表达模式。

番茄的 SUN 基因编码一个 IQD 家族钙调蛋白，诱导果实伸长。过表达 SUN 可以让圆果实的番茄（pp）长长，敲低 SUN 可以让长果实的番茄（ee）变圆。

不同番茄突变体的果实形状，图中 S，O，LC，F 是基因名称 SUN，OVATE，LC，FAS 的缩写。番茄信息详见 http://solgenomics.net/

亚腰葫芦的亚腰成因

目前也有关于葫芦果实形状方面的研究^[12]，一些其他作物中调控果实形状的基因（比如 SUN，OFP，AP2 等），在葫芦中也有类似功能的同源基因。但由于亚腰这一性状比较特殊，其他作物果实没有葫芦这么突出的亚腰性状，基因组学未能直接揭示亚腰成因^[1][2][12]。

果实的发育不是我的研究方向，我看到的文献也有限。所以目前还不能直接解答到底是什么基因，怎么影响了发育，如何决定了亚腰性状。

但是我种过亚腰葫芦，亚腰其实开花的时候就能看出来。葫芦的果实形状有没有亚腰是品种决定的，可以通过授粉前的母本子房判断。人为约束可以改变果实形状，但是正常亚腰葫芦果实的亚腰并不是人为约束出来的。

亚腰葫芦授粉前的母本子房就是亚腰的

对于亚腰葫芦的果实发育，我们可以做出一些推测：

1. 花是节间缩短的变态枝，亚腰在起源上可能类似于茎的节间；
2. 植物激素在亚腰的发育过程中起作用，亚腰是激素极性、不对称分布造成的；
3. 细胞的数目、分裂方式、细胞大小的差异造成亚腰区域比较细；
4. 激素的区域性分布是基因调控的，瓢葫芦和亚腰葫芦在这些基因上有差异；
5. 改变相应的基因，瓢葫芦可以收腰，亚腰葫芦可以变胖；
6. 即使没有相应基因，人为外源施加激素，也可能模拟基因的作用结果；
7. 亚腰基因可以用在其他植上，用于改善其果实观赏性。

如何研究葫芦的亚腰机制

前边我们提到，有没有亚腰是一对相对性状，差异性状的背后就是不同的基因。那么研究葫芦为什么产生亚腰，首要任务就是克隆出亚腰基因。

只要我们有性状不同的材料，就能克隆出造成性状差异的基因。亚腰基因的克隆方法，可以用经典的图位克隆，也可以采用测序方法克隆，还可以采用全基因组关联分析（GWAS）。克隆亚腰基因使用的葫芦群体，可以是近等基因系，重组自交系，也可以用 F2 群体，双单倍体群体等。

这里我们以上周的一篇文献为例^[13]，简单设计一种方法，用 BSA 定位，研究亚腰葫芦的亚腰性状。

冬瓜是黄瓜近亲，为研究冬瓜果实形状，设计杂交。球形瓜 MY-1 与 长柱瓜 GX-1 杂交，后代 F1 介于二者之间，F2 可以分离出亲本类型及中间类型。对 F2 进行分类，分别测序极端类型（球形 / 长形） F2 个体的基因组，计算 SNP 频率，即可得到差异基因。

1. 将亚腰葫芦（YY）和瓢葫芦（P）杂交，得到 F1，观察性状并繁殖；
2. 将 F1 自交，得到性状分离的 F2 群体，并将其分类，并统计比例，如果是 1:2:1 或者 3:1 就是单基因差异造成的，如果分离比模糊难以界定就挑选极端类型；
3. 挑选 F2 群体中表型极端且明显的瓢葫芦（P-F2）与亚腰葫芦（YY-F2）提 DNA，进行混池测序，中间难界定的模糊类型不测；
4. 分析测序结果，计算 SNP 频率，获得目标基因；
5. 敲除或过表达目标基因，进行验证及后续的功能分析。

BSA 定位目标基因的流程图解