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菠菜(Spinacea oleracea)的基因与祖先

2017年8月11日20:09 环球解密

    菠菜俗称菠薐、鹦鹉菜、红根菜及飞龙菜,是原产于中亚与西亚的苋科(Amaranthaceae)植物,大约在两千年前在波斯被驯化后,在公元647年经由尼泊尔传入中国,被称为“波斯菜”,而后转为“菠菜”;英文的spinach也被认为是来自波斯文aspānākh。菠菜在公元827年传入欧洲的西西里岛,到十五世纪时传遍全欧洲。目前世界上最大的菠菜生产国是中国,约占全世界的91%;其次是美国与日本。

    菠菜含有丰富的维生素A,与甜菜是近亲。最近由中国与美国的研究团队,不仅将菠菜的基因体进行定序,同时也对13个野生品系与107个栽培品系的菠菜的转录体(transcriptome)进行定序分析。

    定序的结果发现,S. turkestanica 应该是栽培种菠菜的祖先。过去一直不能确定菠菜的祖先究竟是 S. turkestanica 或是 S. tetrandra,这次分析序列的结果发现,S. turkestanica 和栽培种在亲缘关系上比较相近。所以 S. turkestanica 应该就是栽培种菠菜的祖先。

    在菠菜出波斯以后,栽培种菠菜开始分为两个支线:东亚、中/西亚。中/西亚的一支传入欧洲后,又随着欧洲人渡海到美国;东亚的一支则在中国开枝散叶。

    至于菠菜的基因体呢?菠菜的基因体有6.18亿个碱基对,含有25,495个基因;其中71.7%是其他作物中也找得到的基因,28.3%是菠菜专属的基因。虽然它的基因体看起来并不特别大,但是却有极高比例的序列是转位子(transposable elements):74.4%!之前介绍过茶树的基因体含有67%的反转录转位子已可算是极高,却没想到菠菜还更高呢!

    过去的资料分析发现,菠菜与甜菜(sugar beets,Beta vulgaris)大约于三千八百四十万年前分道扬镖;基因体的分析也发现菠菜的平均基因大小(1,157个碱基对)与每个基因平均外显子(exon)数目(5.3个)与甜菜很相近。

    近年来,菠菜的露菌病(downy mildew,病原为露菌科 Peronosporaceae 的真菌)是个大问题,所以育种也都朝着培育抗露菌病品系的方向进行。由于对露菌病的抗性主要来自于核苷酸结合位点富亮氨酸重复蛋白(nucleotide-binding site lucine-rich repeat proteins,简称NBS-LRR蛋白),所以研究团队当然就特别注意这些NBS-LRR蛋白啰!他们发现,菠菜的NBS-LRR蛋白比其他植物少,只有139个(甜菜有162个、番茄有274个、稻米更高达532个)。其中最多的是CNL型与NL型,总共约占NBS-LRR蛋白的76%。由于大部分菠菜是雌雄异株,与自交作物如番茄、西瓜、黄瓜相比,即使是栽培种的菠菜,其基因多样性也相对比较高。

    至于育种对菠菜的基因有什么影响呢?研究团队发现主要受影响的包括开花时间、以及受体信息蛋白、丝胺酸/苏胺酸激酶等。

    菠菜可在温带与亚热带气候区生长,在1930年代的大萧条(Great Depression)时期,菠菜因为生长快速、营养丰富而受到重视,但是大家对于它那有点涩的风味却有些吃不惯。为了要鼓励大家多吃菠菜,政府决定要“雇用”大力水手卜派。于是,原本卜派的“超能力”是靠着他轻拍他的小母鸡的头取得,从1932年开始,卜派就改吃菠菜了。有趣的是,原本卜派只是那个漫画里的一个小角色,因为受欢迎而被加了戏份成为主角,到后来甚至被政府看上为菠菜发声。所以不只是人生很难说,连漫画人物的命运也是峰回路转啊!

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