虞夏清,陳勁楓

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095)

多倍體(polyploid)是指包含3套及以上完整染色體組的生物。形成多倍體生物的過程被定義為多倍化(polyploidization)。多倍體在自然界中十分常見,如重要農(nóng)作物棉花(Gossypiumspp.)、小麥(Triticumaestivum)、油菜(Brassicanapus)、甘蔗(Saccharumofficinarum)等。盡管多倍化的進(jìn)化意義仍然存在爭議,但隨著近年來基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的證據(jù)顯示,多倍化是物種形成與進(jìn)化的重要驅(qū)動力[1]。研究表明,所有的被子植物均經(jīng)歷過至少一次以上的多倍化事件,意味著所有的被子植物都是古多倍體[2-3]。同時,被子植物進(jìn)化過程中普遍發(fā)生的多倍化事件與白堊紀(jì)-第三紀(jì)生物滅絕事件(KT-extinction)在時間上吻合。因此,學(xué)者們推斷多倍化可能是現(xiàn)存多數(shù)被子植物的祖先在生物滅絕事件中存活下來的重要原因[3-4]。近期研究認(rèn)為,多倍體優(yōu)于二倍體的抗逆能力是其在生物大滅絕事件中存活下來的重要原因[3,5]。多倍化過程能夠在短時間內(nèi)極大豐富生物體的遺傳多樣性,為進(jìn)化提供原始的遺傳基礎(chǔ),也為作物遺傳改良提供豐富的育種資源。多倍體通常在多個性狀方面具有明顯的優(yōu)勢,如生物量和產(chǎn)量相關(guān)性狀及抗逆性等方面。多倍化的育種應(yīng)用已經(jīng)為人們帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[6]。因此,多倍化不僅對于物種適應(yīng)性進(jìn)化具有重要意義,也是作物遺傳改良的重要途徑[7]。

作為最早被馴化的作物類型之一,葫蘆科作物包含黃瓜(Cucumissativus)、甜瓜(Cucumismelo)、西瓜(Citrulluslanatus)、南瓜(Cucurbitaspp.)、冬瓜(Benincasahispida)等多個重要經(jīng)濟(jì)作物,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[8-9]。大多數(shù)葫蘆科作物以果實(shí)作為鮮食或加工產(chǎn)品,部分葫蘆科作物還具有重要的藥用和觀賞價值[10]。在科學(xué)研究中,葫蘆科作物是研究性型分化和維管生物學(xué)的模式作物[11-12]。黃瓜作為第1個被全基因組測序的蔬菜作物,開啟了葫蘆科作物研究的基因組學(xué)時代[13]。隨著測序技術(shù)和基因組學(xué)的快速發(fā)展,在甜瓜[14]、西瓜[15]、南瓜[16]和冬瓜[17]等葫蘆科作物上相繼完成了全基因組測序、組裝與版本更新[18],為葫蘆科作物的物種起源與進(jìn)化以及表型性狀的分析與利用奠定了基礎(chǔ)。大規(guī)模比較基因組學(xué)結(jié)果顯示,在雙子葉植物共有的一次全基因組加倍事件之后的約兩千萬年,葫蘆科作物發(fā)生過一次多倍化事件[9]。多倍化被認(rèn)為是開花植物迅速分化和繁育擴(kuò)張的重要原因。因此,多倍化在葫蘆科作物的分化與擴(kuò)張中也扮演了重要角色[19]。

多倍化已在葫蘆科作物育種中得到較為廣泛的應(yīng)用,例如西瓜的多倍體育種早在1939年就已開展。多倍化一直以來都是葫蘆科作物育種與研究的重點(diǎn)。根據(jù)基因組的組成不同,多倍體通常可以分為同源多倍體(autopolyploid)和異源多倍體(allopolyploid)。同源多倍體的亞基因組相同,而異源多倍體則包含不同的亞基因組,對應(yīng)的多倍化過程分別稱為同源多倍化和異源多倍化。與同源多倍化相比,異源多倍化同時包含多倍性和雜合性的雙重特征,因而通常表現(xiàn)出更為復(fù)雜而豐富的變異,這對于物種進(jìn)化與作物育種極為重要。在21世紀(jì)初前人對葫蘆科作物倍性育種的方法與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)[20],其中絕大多數(shù)是關(guān)于同源多倍化的總結(jié),而關(guān)于異源多倍化的研究涉及較少。本文針對近年來葫蘆科作物多倍化的研究展開綜述,從多倍體的獲得與鑒定、優(yōu)勢以及組學(xué)研究等方面,總結(jié)近年來葫蘆科作物多倍化研究的重要進(jìn)展,探討未來多倍化在葫蘆科作物研究中的方向,為提升葫蘆科作物的產(chǎn)量和品質(zhì)提供參考。

1 葫蘆科作物多倍體的獲得與鑒定

多倍體的獲得途徑包括自然變異、物理或化學(xué)方式誘導(dǎo)、離體培養(yǎng)等。多倍體材料的鑒定方法主要包括形態(tài)學(xué)鑒定、染色體直接計(jì)數(shù)、流式細(xì)胞測定以及分子生物學(xué)方法鑒定等。Zhang等[21]開發(fā)了一種基于高度保守的5S rDNA序列和拷貝數(shù)的實(shí)時定量PCR技術(shù)方法,此方法采樣量小,可用于快速鑒定西瓜倍性,其準(zhǔn)確性與流式細(xì)胞測定相近。關(guān)于獲得與鑒定多倍體方法的比較,前人已經(jīng)從某個單一物種到某一類植物/作物分別進(jìn)行了總結(jié)與記錄[20,22-26],本文不再贅述。對于葫蘆科作物而言,多倍體鑒定主要以形態(tài)學(xué)和細(xì)胞學(xué)鑒定為主。

自發(fā)形成的多倍體在葫蘆科作物中并不常見,利用秋水仙素處理或離體培養(yǎng)技術(shù)誘導(dǎo)多倍體已在西瓜、甜瓜等葫蘆科作物上普遍應(yīng)用。不同的誘導(dǎo)方式在不同葫蘆科作物中存在較大差別,誘導(dǎo)率從小于1%到高達(dá)50%。秋水仙素對同源四倍體冬瓜的誘導(dǎo)率最高可達(dá)35.2%[27-28]。在同一物種中,不同的誘導(dǎo)方法誘導(dǎo)率也不同,如秋水仙素和氨磺樂靈誘導(dǎo)印度南瓜獲得同源四倍體的誘導(dǎo)率分別為0.33%和0.83%[29]。閔子揚(yáng)等[30]以子葉為外植體,利用秋水仙素結(jié)合組織培養(yǎng)誘導(dǎo)南瓜多倍體,通過形態(tài)和根尖染色體鑒定得出誘導(dǎo)率達(dá)25.71%。Zheng等[31]利用秋水仙素處理誘導(dǎo)黃瓜同源四倍體的誘導(dǎo)率只有6%,而劉永月等[32]利用秋水仙素和二甲基亞砜混合溶液對黃瓜同源四倍體的誘導(dǎo)率則高達(dá)14%。Wang等[33]利用甲基胺草磷誘導(dǎo)同源四倍體甜瓜的誘導(dǎo)率高于秋水仙素和氨磺樂靈,為14.44%,而賈媛媛等[34]利用芐氨基腺嘌呤激素通過離體培養(yǎng)誘導(dǎo)獲得同源四倍體甜瓜,誘導(dǎo)率與甲基胺草磷誘導(dǎo)率接近,為14.3%。張勇等[35]利用秋水仙素對不同類型甜瓜進(jìn)行多倍體誘導(dǎo),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)紋型材料的四倍體誘導(dǎo)率達(dá)54.4%,而2份光皮型材料四倍體誘導(dǎo)率則分別為20.0%和23.3%。因此,葫蘆科作物多倍體的誘導(dǎo)率受到許多因素的影響,例如所用化學(xué)試劑的種類、處理時間、處理方式與處理對象的選擇、物種與基因型以及統(tǒng)計(jì)方法等。

2 多倍化在葫蘆科作物中的優(yōu)勢

2.1 產(chǎn)量與品質(zhì)優(yōu)勢

多倍化能夠產(chǎn)生多倍體優(yōu)勢,即能夠有效提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量。與二倍體相比,葫蘆科作物同源多倍體普遍表現(xiàn)出的特點(diǎn)主要包括:植株節(jié)間變短,葉片變大、變厚,莖變粗,花冠變大,花粉粒變大,氣孔增大,保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體數(shù)增加,果實(shí)大小不變或變小,果實(shí)質(zhì)量增加,果肉變厚,果實(shí)結(jié)實(shí)率與花粉育性降低等[27,31-33,36-38]。這些形態(tài)學(xué)特征可以作為初步判定葫蘆科作物多倍體的參考指標(biāo)。然而,并非所有的葫蘆科多倍體都呈現(xiàn)出這些特征,少數(shù)甚至存在相反的結(jié)果。例如,與印度南瓜(Cucurbitamaxima)二倍體相比較,同源四倍體葉片變小,而其他形態(tài)指標(biāo)則符合上述多倍體共有特征[29]。通過離體組織培養(yǎng)獲得的同源四倍體甜瓜在形態(tài)上與二倍體無顯著差異[39]。與同源多倍體相比,異源多倍體的表型更為復(fù)雜。Yu等[40-41]對獲得的甜瓜屬人工異源四倍體(Cucumis×hytivus)進(jìn)行表型分析,發(fā)現(xiàn)異源四倍體存在著多種不同的表型變異,種子大小、植株生物量等表型介于雙親之間,而細(xì)胞大小則表型出倍性效應(yīng),顯著大于二倍體親本。

在品質(zhì)性狀方面,葫蘆科作物多倍體果實(shí)通常表現(xiàn)出高于二倍體的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白質(zhì)等品質(zhì)指標(biāo)[33-34,38,42]。四倍體和三倍體薄皮甜瓜果實(shí)成熟時期可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白質(zhì)、維生素C、氨基酸含量均高于二倍體,但并非全部與倍性成正比,例如三倍體甜瓜的可溶性固形物和可溶性蛋白含量均高于四倍體[43-44]。張勇等[35]發(fā)現(xiàn)同源四倍體甜瓜與二倍體甜瓜相比,雖然果肉厚度并無明顯改變,但是單果重和可溶性固形物含量顯著降低。Jaskani等[45]比較了秋水仙素處理獲得的同源四倍體西瓜與原始親本二倍體的果實(shí)品質(zhì)性狀,發(fā)現(xiàn)四倍體西瓜果實(shí)的類胡蘿卜素、番茄紅素和單糖含量更高,但節(jié)間長度、果實(shí)質(zhì)量、總糖含量無顯著差別。袁平麗等[46]發(fā)現(xiàn)同源三倍體、四倍體西瓜的番茄紅素含量前期積累比二倍體慢,后期迅速積累,顯著高于二倍體。Dou等[47]研究發(fā)現(xiàn),多倍體與二倍體西瓜中番茄紅素含量存在差異,該差異的產(chǎn)生是由于多倍化引起的番茄紅素代謝基因的轉(zhuǎn)錄水平變化和植物激素的水平變化引起的。

由此可見,盡管以往的研究結(jié)果表明倍性效應(yīng)在決定葫蘆科作物產(chǎn)量和品質(zhì)性狀中存在許多共性,但每個多倍化事件都是獨(dú)特的,其產(chǎn)生的表型也在很大程度上是未知的,有時甚至?xí)a(chǎn)生截然相反的結(jié)果。產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的形成因素復(fù)雜,受到許多基因的調(diào)控,任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生變化,都會影響最終代謝產(chǎn)物含量的變化。多倍化能夠引起全基因組范圍內(nèi)不同程度的基因表達(dá)變化。隨著表型組學(xué)的快速發(fā)展,建立快速的多倍體篩選機(jī)制可以提高多倍體育種的效率。同時,解析多倍化引起產(chǎn)量與品質(zhì)性狀改變的分子機(jī)制,能夠?yàn)槔枚啾痘_開展多倍體育種奠定重要基礎(chǔ)。

2.2 克服遠(yuǎn)緣雜交障礙

種間雜交可以將近緣野生種中有用的基因?qū)朐耘嗥贩N,促使作物進(jìn)化并創(chuàng)制新的作物類型。然而,由于野生種與栽培種之間往往存在不同程度的生殖隔離,種間雜交經(jīng)常會遇到雜交不親和、雜種不育以及雜種后代強(qiáng)烈分離等難題[48-49]。部分雜種不育可以通過染色體加倍達(dá)到遺傳上的穩(wěn)定,從而恢復(fù)育性[24,50]。

黃瓜遺傳基礎(chǔ)狹窄[13,51],種內(nèi)變異缺乏,急需通過種間雜交拓寬遺傳基礎(chǔ)。Chen等[52-53]通過胚拯救的方法獲得了栽培黃瓜與近緣野生酸黃瓜(CucumishystrixChakr.)之間的遠(yuǎn)緣種間雜種,然而正反交雜種均高度不育。為恢復(fù)育性,Chen等[54]利用秋水仙素處理對種間雜種進(jìn)行染色體加倍,獲得了甜瓜屬首例完全可育的異源四倍體新物種,命名為Cucumis×hytivusJ. F. Chen & J. H. Kirkbr.。該異源四倍體一方面可以作為全新的作物類型進(jìn)行研究與利用,另一方面可以作為橋梁,將野生種中攜帶的優(yōu)異基因轉(zhuǎn)移到栽培黃瓜中,對于黃瓜的遺傳改良具有重要意義。Yu等[55]發(fā)現(xiàn)該異源四倍體存在葉片延遲成熟的新表型,表現(xiàn)為葉面積與葉片光合能力增長緩慢、幼葉葉綠素與類胡蘿卜素等光合色素含量偏低以及葉片發(fā)育過程中庫-源轉(zhuǎn)化異常等;對葉綠素生物合成關(guān)鍵基因的序列和表達(dá)分析顯示,在該人工異源四倍體中,葉綠素生物合成的關(guān)鍵基因谷氨酰tRNA還原酶基因1(HEMA1)、尿卟啉原脫羧酶基因2(HEME2)和原葉綠素酸酯氧化還原酶基因(POR)表現(xiàn)為較親本顯著下調(diào)表達(dá)的非加性表達(dá)特征,推測葉綠素生物合成受阻為其葉綠素缺乏的主要因素?；蚩寺∽C實(shí)來自雙親的部分同源基因在異源四倍體中均得以保留,并在異源四倍體中存在融合了雙親基因序列的HEMA1嵌合基因。

研究者進(jìn)一步將該異源四倍體與二倍體親本栽培黃瓜回交創(chuàng)制了異源三倍體、異附加系、漸滲系等一系列的優(yōu)異資源[56-59],再利用漸滲系分離出具有霜霉病、細(xì)菌性角斑病、蔓枯病和根結(jié)線蟲的抗性單株,進(jìn)行了抗性基因的發(fā)掘[60-63],并通過抗性轉(zhuǎn)育培育了“南抗”“霜抗”以及“雙抗”系列黃瓜新品種,成功實(shí)現(xiàn)了從野生種到栽培黃瓜優(yōu)異基因的有效轉(zhuǎn)移。

2.3 適應(yīng)性優(yōu)勢

多倍體的適應(yīng)性和抗病抗逆性往往優(yōu)于二倍體。例如,與二倍體中國南瓜相比,同源四倍體南瓜的抗早衰性更強(qiáng),脯氨酸含量和過氧化物歧化酶活性更高,丙二醛含量更低,傷流量更高,根系活力更強(qiáng)[29,64]。此外,同源四倍體西瓜對枯萎病的抗性優(yōu)于二倍體[65-66]。黃金艷等[67]通過比較同源四倍體薄皮甜瓜與二倍體在干旱脅迫下的株高脅迫指數(shù)、莖徑脅迫指數(shù)、干物質(zhì)脅迫指數(shù)、葉綠素含量、相對可溶性糖含量和脯氨酸含量等生理指標(biāo)發(fā)現(xiàn),四倍體的抗旱性顯著強(qiáng)于二倍體。何毅等[68]通過比較高溫對不同倍性西瓜生理特性及果實(shí)品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)同源四倍體和三倍體西瓜的耐熱性優(yōu)于二倍體。Wang等[69]對甜瓜屬異源四倍體的耐弱光能力進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其光補(bǔ)償點(diǎn)為11.25 μE·m-2·s-1,低于耐弱光黃瓜品種‘長春密刺’,且在弱光處理2周后葉綠素a和葉綠素b含量增加,葉綠素a/b值大幅度降低,形態(tài)學(xué)耐弱光隸屬值達(dá)0.946,表明該異源四倍體具有較強(qiáng)的耐弱光性。

多倍體適應(yīng)性優(yōu)勢的分子機(jī)制是近年來學(xué)者們較為關(guān)注的課題。研究表明,基因組加倍使植物抗性基因的容量成倍增加,拓寬了基因的遺傳變異范圍,提高了產(chǎn)生優(yōu)良基因組合的概率,從而提供了植物對不利環(huán)境抗性的遺傳基礎(chǔ)[70]。Chen等[42]和Yu等[71]對甜瓜屬異源四倍體及其親本接種南方根結(jié)線蟲(Meloidogynespp.)進(jìn)行抗性鑒定,發(fā)現(xiàn)異源四倍體抗線蟲能力顯著強(qiáng)于栽培黃瓜親本,推測與其拓寬的遺傳基礎(chǔ)有關(guān)。此外,該異源四倍體在高溫下的抗性也顯著優(yōu)于二倍體親本,高溫與對照下二倍體親本及異源四倍體的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示,異源四倍體高溫下特異的光合響應(yīng)機(jī)制可能是其耐高溫的重要原因[71]。

同源四倍體西瓜在未經(jīng)過預(yù)冷處理時的耐冷性不如二倍體,而經(jīng)過預(yù)冷處理的耐冷性則強(qiáng)于二倍體,推測四倍體中的某種耐冷基因只在預(yù)冷情況下才能誘導(dǎo)表達(dá),從而增強(qiáng)四倍體的耐冷性[72-73]。葫蘆科作物多倍體的適應(yīng)性優(yōu)勢不僅與多倍化引起的全基因組遺傳變異有關(guān),表觀遺傳修飾的改變同樣扮演了重要角色。楊炳艷等[74]通過比較低溫脅迫下西瓜同源二倍體和三倍體甲基化及基因表達(dá)的差異發(fā)現(xiàn),三倍體在低溫脅迫后去甲基化率與基因上調(diào)表達(dá)量均大于二倍體,因而三倍體的耐冷性強(qiáng)于二倍體。朱紅菊等[75]比較了鹽脅迫下同源四倍體與二倍體西瓜幼苗的形態(tài)學(xué)指標(biāo)和DNA甲基化情況發(fā)現(xiàn),與二倍體相比,四倍體西瓜幼苗的耐鹽性更強(qiáng),甲基化比率和去甲基化比率更低。

3 葫蘆科作物多倍體組學(xué)研究

得益于組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,學(xué)者們有機(jī)會從點(diǎn)到面對植物多倍化過程進(jìn)行全基因組范圍的認(rèn)識。Sun等[16]同時完成了印度南瓜和中國南瓜(Cucurbitamoschata)的全基因組測序,從基因?qū)用娼忉屃?種南瓜的顯性特征差異。通常多倍體形成后會失去部分祖先基因,重新回到二倍體狀態(tài)。然而,該研究表明,與其他古多倍體不同,南瓜較為完整地保存了2個祖先的基因組,且2個親本基因組間并沒有顯著的偏向性[16]。多倍體中亞基因組沒有偏向性的結(jié)果并不多見,相反,亞基因組不對稱性(亞基因組優(yōu)勢)則更為常見,通常表現(xiàn)為有偏向性的基因表達(dá)和基因丟失[1]。亞基因組不對稱性與物種進(jìn)化和雜種優(yōu)勢的形成存在著密切聯(lián)系,而這種不對稱性形成的相關(guān)機(jī)制仍不清晰。Yu等[71]利用第三代基因組測序技術(shù)獲得了甜瓜屬人工異源四倍體的全基因組序列,并通過與親本基因組的比較基因組學(xué)分析,揭示了異源四倍體基因組中具有顯著的亞基因組優(yōu)勢現(xiàn)象,來自栽培黃瓜的亞基因組相比酸黃瓜基因組丟失的基因數(shù)/序列更少,占表達(dá)優(yōu)勢的基因數(shù)目更多。Yu等[71]進(jìn)一步對未加倍的二倍體種間雜種進(jìn)行全基因組測序與比較基因組學(xué)分析,結(jié)果表明,亞基因組優(yōu)勢在種間雜交過程中已經(jīng)確立,在異源加倍過程中,基因組加倍對于基因組的影響與種間雜交各不相同。最后,通過分析甜瓜屬異源四倍體形成早期各世代基因組的變化,發(fā)現(xiàn)異源多倍體形成后的二倍體化穩(wěn)定過程可以分為2個階段,第1個階段為快速穩(wěn)定期,發(fā)生在最初的1～3個世代,絕大多數(shù)的基因組變化發(fā)生在這一階段,之后進(jìn)入第2階段,基因組的變化逐漸變緩,只發(fā)生少數(shù)的基因/序列丟失[71]?？梢?葫蘆科作物的多倍化全基因組分析為理解植物多倍化提供了重要的理論依據(jù)。

越來越多的證據(jù)顯示,多倍化除了對植物基因組有直接影響,對轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、染色體行為和表觀基因組均有顯著的影響[76-78]。許哲等[79]對同源四倍體和二倍體西瓜的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)基因組加倍后大量的基因發(fā)生差異表達(dá),推測氧化應(yīng)激蛋白、脫落酸受體、乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子等基因是西瓜多倍體形成的關(guān)鍵基因。龍婭麗等[80]通過高通量測序比較了同源四倍體和二倍體西瓜葉片的sRNA表達(dá)譜,鑒定了四倍體與二倍體中與抗逆脅迫相關(guān)的差異表達(dá)miRNA,結(jié)果表明,80.46%的miRNA在二倍體中上調(diào)表達(dá),遠(yuǎn)多于四倍體,推測miRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在四倍體西瓜的抗逆性中發(fā)揮重要作用。Saminathan等[81]在四倍體西瓜中鑒定到全基因范圍內(nèi)基因表達(dá)水平的改變,發(fā)現(xiàn)22個基因在不同組織中均發(fā)生了可變剪切,表明多倍化可能通過引起可變剪切產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì),使重要轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能發(fā)生改變,從而影響精氨酸生物合成、葉綠素生物合成以及淀粉和蔗糖的代謝等生物學(xué)過程,最終影響表型。Garcia-Lozano等[82]研究發(fā)現(xiàn),同源多倍體西瓜中高達(dá)88%的基因呈現(xiàn)出倍性效應(yīng)表達(dá)差異,且大部分是上調(diào)表達(dá)的,同時,在四倍體西瓜中還檢測到大量的去甲基化區(qū)域,這些區(qū)域位于上調(diào)表達(dá)差異基因的啟動子、基因間區(qū)域以及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近。

此外,三維基因組學(xué)分析揭示了多倍化在西瓜中影響基因組的A/B結(jié)構(gòu)改變,調(diào)控與植物生長、發(fā)育和脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)[82]。可見,基因組的表觀遺傳修飾不僅僅來自線性DNA系列,也可能來自非隨機(jī)的空間結(jié)構(gòu)[83]。Hi-C(high-through chromosome conformation capture)技術(shù)的出現(xiàn)推動了三維基因組學(xué)的發(fā)展。研究者利用Hi-C技術(shù)不僅證實(shí)了染色質(zhì)疆域的存在,而且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了更多染色質(zhì)的三維特征[84-85]。在植物三維基因組研究方面,對擬南芥和棉花多倍體的研究發(fā)現(xiàn),多倍化帶來的三維結(jié)構(gòu)變化與基因的表達(dá)調(diào)控有關(guān),最終可能導(dǎo)致表型的改變[86-87]。

4 總結(jié)與展望

4.1 多倍體在不同葫蘆科作物中的研究

雖然葫蘆科作物中的多倍體研究與應(yīng)用起步時間較早,且在西瓜、甜瓜等作物上也取得了較為豐碩的成果,但是與其他作物相比發(fā)展相對緩慢。從過去幾十年的研究中不難發(fā)現(xiàn),葫蘆科作物的多倍體研究多數(shù)仍停留在多倍體誘導(dǎo)和鑒定上,而對于相關(guān)機(jī)制的深入研究并不多見,且絕大多數(shù)的研究以西瓜、甜瓜和黃瓜為研究對象,對其他葫蘆科作物涉及較少,這也基本符合園藝作物研究以實(shí)際生產(chǎn)需求為導(dǎo)向的特點(diǎn)。其中近一半以上的研究關(guān)注于多倍體西瓜的研究,這與生產(chǎn)上對三倍體無籽西瓜的重要需求密不可分。三倍體無籽西瓜是目前生產(chǎn)上利用同源多倍體面積最大的葫蘆科作物之一,因此,四倍體西瓜親本和三倍體雜種西瓜的選育和研究是西瓜多倍體研究的重中之重。相比之下,其他葫蘆科作物研究較少也有許多客觀的原因,例如研究受眾群體小、相關(guān)研究人員少,項(xiàng)目支持與經(jīng)費(fèi)有限等。近年來關(guān)于冬瓜、苦瓜、南瓜等其他葫蘆科作物的多倍化研究呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,而關(guān)于西瓜、甜瓜、黃瓜多倍化相關(guān)的研究也在逐漸深入。相信多倍化在葫蘆科作物育種中也會受到越來越多的重視,從而發(fā)揮更大的作用。

4.2 葫蘆科作物多倍體研究的進(jìn)化意義

多倍體植物能從生物大滅絕事件中“頑強(qiáng)”地存活并繁殖,這在很大程度上體現(xiàn)了多倍化對于物種進(jìn)化的重大意義。特別是在全球氣候快速變化的今天,解析多倍化適應(yīng)性優(yōu)勢形成的分子基礎(chǔ),對于理解生物進(jìn)化和開展作物遺傳育種等具有重要的理論指導(dǎo)意義與實(shí)踐應(yīng)用價值。自然界中存在的天然多倍體距離形成之初已經(jīng)歷成千上萬年的進(jìn)化,其基因組及其祖先基因組均已發(fā)生許多改變,無法觀測多倍體形成早期的變化,而人工合成的多倍體,具有遺傳基礎(chǔ)清晰等特點(diǎn),是研究探明多倍體早期進(jìn)化機(jī)制的重要途徑。例如,甜瓜屬人工異源四倍體的創(chuàng)制完整地再現(xiàn)了多倍體作物形成早期的全過程,包括種間雜交、基因組加倍、初期二倍體化3個關(guān)鍵階段,為多倍體進(jìn)化研究提供了非常有利的條件,其研究結(jié)果為理解植物多倍化相關(guān)機(jī)制提供了重要參考。葫蘆科作物是僅次于禾本科、豆科和茄科的第四大食用植物科之一,未來在更多的葫蘆科作物中開展類似的多倍化研究,能夠?yàn)槿娼沂径啾痘谖锓N多樣化與基因組進(jìn)化上的意義提供重要的理論依據(jù)。

4.3 未來進(jìn)一步研究的方向

綜上所述,隨著測序技術(shù)和表型組學(xué)的持續(xù)快速發(fā)展以及Hi-C等新分子技術(shù)的出現(xiàn),接下來可以從以下幾方面進(jìn)一步開展葫蘆科作物多倍體的研究:1)在苦瓜、絲瓜等更多的小眾葫蘆科作物中開展多倍體誘導(dǎo),建立每個物種穩(wěn)定的誘導(dǎo)體系,提高誘導(dǎo)率,同時深入研究不同因素影響誘導(dǎo)率的分子機(jī)制,為穩(wěn)定獲得葫蘆科作物的多倍體材料提供理論基礎(chǔ);2)借助表型組學(xué)方法建立葫蘆科作物快速高效的多倍體鑒定與篩選體系,提高獲得廣適應(yīng)性和綜合性狀優(yōu)良多倍體的效率;3)在全球人口持續(xù)增長、氣候變化加劇、資源環(huán)境不斷惡化的大背景下,利用多倍化提高作物的多樣性,增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性是作物育種的重要內(nèi)容,綜合利用多組學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的分子技術(shù)手段揭示多倍體抗性優(yōu)勢形成的分子機(jī)制,有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)改良,保障全球糧食安全和食物質(zhì)量。