版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

椰子是一種重要的熱帶油料和水果作物，有著豐(feng) 富的性狀表現，比如植株有高有矮、椰肉有多有少、椰殼有大有小……是什麽(me) 導致這些差異？椰子身上有太多的謎團待解。

近日，發表在《基因組生物學》上的一篇論文中，科研團隊繪製了高、矮種椰子高質量參考基因組，揭示了單子葉植物染色體(ti) 的進化過程，解析了高、矮種椰子在株高、纖維含量等關(guan) 鍵性狀差異的遺傳(chuan) 基礎，並發現了控製高矮的關(guan) 鍵“開關(guan) ”，解密了發生在約400萬(wan) 年前的椰子“綠色革命”。

綠矮椰子 受訪者供圖

繪製高質量參考基因組

椰子是海南的重要經濟作物之一，截至2020年，全省椰子林麵積51.79萬(wan) 畝(mu) ，椰果年產(chan) 量約2.23億(yi) 個(ge) ，全省200多萬(wan) 人直接或間接從(cong) 事椰子產(chan) 業(ye) ，年總產(chan) 值超200億(yi) 元。

“盡管椰子產(chan) 業(ye) 很熱，但椰子的基礎研究相對比較落後。”論文共同第一作者、中國熱帶農(nong) 業(ye) 科學院椰子研究所研究員肖勇在接受《中國科學報》采訪時表示。

要想解析一些重要的生物學現象和問題，首先是要獲得高質量的基因組。

科研團隊利用三代和Hi-C測序技術，分別組裝並獲得了高種椰子與(yu) 矮種椰子兩(liang) 個(ge) 染色體(ti) 水平的椰子參考基因組。

其中，高種椰子基因組大小為(wei) 2.39Gb，矮種椰子基因組大小為(wei) 2.40Gb，並對基因組分別進行了注釋。

通過椰子基因組與(yu) 睡蓮及油棕等的比較分析，科研團隊揭示椰子發生過兩(liang) 次全基因組的加倍事件，其中一次為(wei) 棕櫚科特有。

椰子與(yu) 同為(wei) 棕櫚科的油棕在約2700萬(wan) 年前發生分化，高種椰子和矮種椰子在約400萬(wan) 年前發生分化。

“椰子所屬的棕櫚科是單子葉植物中比較古老的類群之一，是研究單子葉植物染色體(ti) 進化和古代植物分化的理想物種。”論文共同第一作者、海南大學教授王守創在接受《中國科學報》采訪時指出。

研究團隊通過高質量椰子基因組與(yu) 紫萍、菠蘿等單子葉植物基因組的比較分析，基於(yu) 以端粒為(wei) 中心的染色體(ti) 重構理論和模型，重建了含有10條染色體(ti) 的單子葉植物祖先細胞核型，比先前報道的5條或7條染色體(ti) 核型具有更強的證據支持；並基於(yu) 該核型進一步推斷出椰子基因組16條染色體(ti) 的演化過程。

上述研究結果有助於(yu) 深刻認識單子葉植物核型變化乃至被子植物的進化曆程。

破解椰子高矮之謎

椰子主要分為(wei) 高種和矮種兩(liang) 大亞(ya) 群，兩(liang) 亞(ya) 群間的性狀存在著較多差異。

其中最顯眼的便是高矮的差別，高種椰子植株高達15~30米，矮種椰子植株隻有5~15米。

相差如此懸殊，是什麽(me) 決(jue) 定了高種椰子和矮種椰子的株高差異？

“這項成果最有意思的是，我們(men) 利用全基因組關(guan) 聯分析結合生化、分子、生理學手段，克隆到了控製椰子高矮的關(guan) 鍵基因——位於(yu) 12號染色體(ti) 上的GA20ox基因。我們(men) 還發現這個(ge) 基因其實和水稻、玉米和小麥中的‘綠色革命’基因屬於(yu) 同源基因。”論文共同通訊作者、海南大學教授羅傑在接受《中國科學報》采訪時指出。

“綠色革命”基因對人類有著不同凡響的意義(yi) 。大約60年前，由於(yu) 水稻、玉米和小麥等作物的植株較高，不抗風很容易發生倒伏，導致產(chan) 量減少。

育種家通過分子生物學手段，發現一個(ge) 矮種基因，後被稱為(wei) “綠色革命”基因，通過選育獲得了矮稈品種，解決(jue) 了“吃不飽”問題，保障糧食安全。

“綜合上述結果，表明椰子在約400萬(wan) 年前的亞(ya) 種分化過程中，發生了與(yu) 水稻、玉米等作物半矮化育種過程類似的‘綠色革命’。”羅傑表示，人類60年前做的事情，自然界早在400萬(wan) 年前就已經做過了。

椰子產(chan) 業(ye) 前景很廣，數量卻不夠，一個(ge) 很重要的原因就是椰子的生長周期很長，很難進行大量繁育。高種椰子要8~10年才能結果，矮種椰子則要3~5年。如果通過常規的雜交育種技術，可能需要幾代人用幾十年才能完成一個(ge) 品種的選育。

“有了這個(ge) 株高性狀控製基因以後，我們(men) 可以開發分子標記，提前把更方便采摘的矮種椰子選出來，能節約大量時間和資源，大大加快繁育進程，促進椰子產(chan) 業(ye) 更快發展。”中國熱帶農(nong) 業(ye) 科學院椰子研究所副所長王揮告訴《中國科學報》。

解析關(guan) 鍵性狀意義(yi) 重大

椰子除了高矮以外，還有其他不同的性狀，比如高種椰子果實中的纖維素含量比較高，矮種椰子果實中的纖維素含量較低。

“高種椰子更接近於(yu) 野生椰子，我們(men) 推測在熱帶地區島國上的椰子，通過洋流傳(chuan) 播到其他地區，而纖維含量是它能否漂流過來的重要因素，這個(ge) 性狀與(yu) 椰子的進化息息相關(guan) 。”王守創表示。

實際上，最初的椰子體(ti) 積非常小，比如瓜子椰子就隻有棗那麽(me) 大，為(wei) 了漂過來，通過自然進化讓纖維越長越多，纖維素高有利於(yu) 椰果漂在水上，而纖維素含量不多的椰果則沉入海裏。

科研團隊采用多組學加上細胞學手段來分析這個(ge) 現象。“纖維主要由木質素和纖維素組成，我們(men) 主要集中在這兩(liang) 方麵研究，關(guan) 注了木質素和纖維素合成途徑的所有基因，看這些基因的表達在高種椰子和矮種椰子上是否有差別。

分析結果顯示差別確實很大，在高種椰子中相關(guan) 基因表達量很高，在矮種椰子中則很低。”肖勇介紹。這次他們(men) 初步找到了控製纖維素合成的位點和基因。

所謂“魚和熊掌不可兼得”。肖勇表示，纖維素含量太高，果殼中間的體(ti) 積就很小，裏麵的椰肉和椰汁也會(hui) 變少。

最開始是自然選擇纖維素含量更大的椰子，隨著後麵人工選擇的開展，才逐漸產(chan) 生了肉多、汁水多的椰子品種。

除了株高、纖維以外，研究團隊還分析了高種椰子和矮種椰子耐鹽性、脂質含量等關(guan) 鍵性狀差異的遺傳(chuan) 基礎。

“把這些性狀的關(guan) 鍵基因挖掘出來以後，下一步我們(men) 可以搭建分子育種體(ti) 係，加速育種步伐，對產(chan) 業(ye) 貢獻巨大。還可以把優(you) 異性狀的決(jue) 定基因‘外借’，比如可以把耐鹽的基因在其他作物上應用，提高作物的耐鹽性，有助於(yu) 其他品種的遺傳(chuan) 改良。”王揮說。

“椰子裏麵的月桂酸，是目前人類認知的植物裏含量最高的，月桂酸又是化妝品的重要原料。破解椰子脂質合成與(yu) 調控的分子機製，有利於(yu) 延伸椰子產(chan) 業(ye) 鏈。”王守創表示。

相關(guan) 論文信息：

https://doi.org/10.1186/s13059-021-02522-9

《中國科學報》 (2021-11-23 第3版 農(nong) 業(ye) 科技)

作者 ｜ 張晴丹

歡迎掃碼聯係科普老師！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！