【中国科学报】黄瓜“神奇”卷须背后的秘密

西双版纳无卷须黄瓜的叶腋处，变态侧枝在正常卷须的生长位置替代了正常卷须。 杨学勇供图

■本报记者 李晨

很多人都吃过黄瓜，可能还见过生长中的黄瓜和它的茎蔓。那么，你注意过黄瓜的卷须吗？你知不知道为了促进黄瓜健康生长，卷须常常会被农民去掉？你会不会好奇黄瓜长卷须的原因和它背后的植物生长密码？

科学家对这些问题好奇，并在思考这一问题的答案如何给人类带来更大的农业福利。

近日，《自然—植物》在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳农业基因组所、中国科学院生物物理研究所和美国加州大学戴维斯分校等6家单位的合作成果。他们发现，黄瓜卷须身份基因TEN是一个新型的多功能转录因子，能够结合在基因内部的增强子上，并通过乙酰化修饰组蛋白球体区域的赖氨酸，打开染色质，激活靶标基因。

这个结果如何造福人类？我们从达尔文的一个疑惑说起。

达尔文的卷须之问

在设施生产上，黄瓜栽培需要吊蔓生长，不需要黄瓜卷须的攀缘能力。同时，卷须作为营养器官的生长争夺了大量生殖器官即黄瓜生长所需的养分。论文通讯作者、中国农科院研究员黄三文告诉《中国科学报》，在生产上需要及时去除卷须，以促进黄瓜的健康生长、保证产量。而人工去除卷须费时费工。因此，培育适合轻简化栽培的无卷须品种，将成为黄瓜株型改良的一个重要方向。

2010年，黄三文团队开始从基因组学中寻找这一实际生产问题的答案，结果却意外地解答了一百多年前困扰达尔文的一个基础生物学问题。

1875年，达尔文在《攀爬植物的运动和习性》一书中发问：“葫芦科植物卷须的同源器官是什么？”

这是因为，科学家发现豌豆（豆科）卷须的同源器官是叶，葡萄（葡萄科）卷须的同源器官是花序，而同样的方法却不能证明葫芦科代表植物黄瓜卷须的同源器官是什么。

论文第一作者、中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员杨学勇告诉《中国科学报》，通过鉴定世界范围内的3342份黄瓜种质，团队从中发现了唯一的西双版纳无卷须黄瓜。在它的叶腋处，本来应该生长卷须的位置，长出的是变态侧枝，替代了正常卷须，其侧枝的末端还保留了卷曲的特征。研究人员克隆了控制卷须的身份基因TEN，其编码一个CYC/TB1类转录因子，这类转录因子是植物株型调控的核心。

该研究成功回答了达尔文的葫芦科卷须之问，即黄瓜卷须的同源器官是侧枝。

全新的多功能转录因子

“于是，我们就想知道TEN是如何调控黄瓜卷须形成的。”黄三文说，沿着这条路走下去，他们发现了黄瓜卷须另外两个神奇之处。

转录因子是一类蛋白质分子，承担着启动基因组中特定基因表达的功能。科学家已经了解转录因子结合在基因的近端启动子或远端增强子上调控转录的机制。

“但最近的研究发现，CYC/TB1类的转录因子能够结合到某些基因的内部，从而激活下游靶标。”中国科学院上海植物逆境生物学研究中心研究员朱健康说。

杨学勇说，通过基因组学、转录组学、生物化学等综合分析，他们鉴定出TEN在黄瓜全基因组中的1700余个转录因子结合位点，并发现这些结合位点主要位于基因内部。

研究人员鉴定出TEN通过C端结合在基因内部的474个直接靶标基因，主要参与腋芽发育和乙烯合成信号等生物学过程。这些基因内部的调控位点是一类新型的基因内部增强子。

通过分析，黄三文团队证明，TEN编码的转录因子的N端结构域是一类全新的组蛋白乙酰转移酶，主要乙酰化修饰组蛋白球体区域的H3，维持染色质开放，从而激活靶标基因表达。

“这项研究通过黄瓜卷须这个特殊的‘透镜’，为解答结合到基因内部的转录因子如何调控基因表达这一基础科学问题提出了新的见解，是发育生物学和基因表达调控领域的一个重要突破。”朱健康评价说。

猜测：一种保守的调控机制

黄三文认为，TEN转录因子的上述两种特殊功能，可能让其工作效率更高。

由于真核生物的组蛋白球体区域相对保守、非常相似，这引发科研人员思考：TEN的这种多功能性，在其他生物中存在吗？研究人员首先在玉米中验证了tb1基因具有相同的分子机制，调控下游靶标基因的表达。

为了在动物中验证这一新机制，他们查阅了研究最多的人类中的增强子结合转录因子的文献。尽管人体中尚未找到类似的双重功能的转录因子，但他们发现，当转录因子结合位点是在基因内部增强子上，组蛋白的球体区域的乙酰化程度很高。“分子过程虽然还不清楚，但确实有这个相关性。”杨学勇说。

研究人员推测，在真核生物中，组蛋白球体区域乙酰化可能是基因内部增强子表达调控的一个保守机制。

黄三文团队计划利用黄瓜为实验体系，破解植物次生代谢基因簇精确调控、性别决定、卷须形成等基础生物学问题。同时，他们还要尝试回答最初的问题。“希望利用这项研究成果，培育出没有卷须、产量更高、栽培更轻简化的黄瓜新品种。”黄三文说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0715-2

中国科学报原文链接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/7/356617.shtm