黄瓜分子生物学研究进展

黄瓜分子生物学研究进展

摘要：文中综述了近年来国内外关于黄瓜分子生物学方面的研究进展，一是揭示黄瓜遗传多样性和系统分类的分子标记研究；二是全面解析黄瓜分子网络的基因组、转录组和蛋白质组研究；三是以培育优质高抗品系为目标的代谢和发育调控相关基因的分离、克隆和功能研究；最后讨论了目前研究的不足和黄瓜未来分子生物学研究的方向。

关键词：黄瓜；分子标记；基因组；转录组；蛋白组；功能基因

黄瓜（Cucumis sativus Linn.），也称胡瓜、青瓜，属葫芦科植物。黄瓜原产印度，目前广泛分布于中国各地，并且为主要的温室产品之一。由于黄瓜是世界性的大宗蔬菜，近年来国内外利用各种分子生物学手段全面开展了关于黄瓜遗传多样性、系统分类、组学和功能基因等多项研究。这些研究为深入阐明黄瓜的生长发育机理、改善品质、提高产量等奠定了基础。

1 分子标记和遗传多样性分析

黄瓜是葫芦科中重要的蔬菜，有7条染色体,其分子标记研究越来越受到人们的关注。张素勤等（2008）、宋晓飞等（2009）对黄瓜 AFLP 反应体系进行了优化。柴丹丹等（2008）、王振国等（2007）优化了黄瓜 SRAP 反应体系。王桂玲等（2007）建立了优化的 SSR 反应体系。王佳等（2006）利用正交设计优化了黄瓜 ISSR 体系。分子标记开发方面，李效尊等（2007）开发了 118 个 SCAR 标记，引物多态性比例在 10 %以上。由于 SSR 标记的开发需要投入大量的人力和物力，成本较高，关媛等（2007）、胡建斌和李建吾（2008）利用黄瓜 EST 序列开发了一批 EST-SSR 标记，与基因组 SSR 标记相比，它提供了基因表达信息，为功能基因提供绝对标记。基于测序结果，中国农业科学院蔬菜花卉研究所开发了2100 多对 SSR 引物（Ren et al.，2009）。

在遗传图谱的构建与基因定位方面，我国科研工作者构建了多份黄瓜遗传连锁图谱，包括首张黄瓜高密度 SSR 遗传图谱（Ren et al.，2009）、一张整合图谱（李楠，2008）、其他遗传图谱（Yuan et al.，2008；杜辉，2008；稽怡，2008；宋慧等，2009）。这些图谱覆盖基因组长度在 573.0～1 101.7 cM，包含标记数量 65～995个，平均间距0.58～12.70 cM。

2 基因组学、转录组学和蛋白质组学研究

2.1 基因组学

国际黄瓜基因组计划（CUGI）的开展，对黄瓜乃至整个葫芦科蔬菜作物的研究产生了深远影响，开启了蔬菜作物基因组测序的新时代。2007年 5 月，中国农业科学院蔬菜花卉研究所发起并联合华大基因、中国农业大学、美国康奈尔大学和威斯康星大学、荷兰瓦赫宁根大学、澳大利亚 DArT 公司等多家单位实施了该计划。其目标旨在获得黄瓜基因组精细图，确定 99 %以上的黄瓜基因位点。2009 年，该计划采用传统 Sanger法和新一代 Solexa 法相结合的策略，完成了世界上第一个蔬菜作物——黄瓜的全基因组序列测定，最终测序深度达基因组的 72 倍，是目前为止测序深度最高的基因组，单碱基错误率小于十万分之一。

共预测了 26 820 个基因，与模式植物拟南芥相似，基因区域覆盖度达 99 %以上。论文在《Nature Genetics》上发表（Huang et al.，2009）。

2.2 转录组学

基于黄瓜的重要价值，许多的转录组学研究集中在性别分化、生物合成和代谢过程等方面。Tao 等(2010）以黄瓜全雌突变体Csg-G及其野生型Csg-M为材料利用新一代solexa测序技术其转录组进行了研究，把大约5700000-5800000个TAG注释到参考基因。通过分析Csg-G及Csg-M转录组基因表达水平的变化，鉴定出143个上调基因和600个下调基因。中国农业科学院蔬菜花卉研究所开展了10个组织的转录组研究和100个核心种质资源的重测序研究，转录组数据可以用来改善基因注释，为卷须发育、性别分化和果实发育提供新的信息(Guo et al., 2010)。

2.3 蛋白质组学

目前对黄瓜蛋白质组学的研究也聚集在蛋白质代谢、细胞信号转导和抗逆等相关方面上。许培磊等（2009）以日光温室黄瓜新泰密刺和露地栽培黄瓜津研4 号为试材，比较研究低温(15/15℃ ) 和常温 (25/18 ℃ ) 下叶片蛋白质组的差异。对表达量显著差异的 3 个蛋白质点进行 MALDI-TOF 质谱分析，鉴定为1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的大亚基，说明在相同的光照(100μmol·m－2·s－1) 条件下低温对不同基因型黄瓜叶片的蛋白质组均有影响，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶可能与黄瓜叶片耐低温有关。张鹏（2009）应用改进 2-DE 技术比较分析了黄瓜弯曲果实腹部和脊部相关特异蛋白质组分的变化，发现了32 个差异蛋白点，其中 10 个获得了质谱检测。结果分别为核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶 /加氧酶的某种大亚基、异柠檬酸脱氢酶、VB12不依赖型甲硫氨酸合成酶、14-3-3 蛋白和 GTP 结合蛋白，这些蛋白质分别与光合作用和光呼吸代谢、能量产生和合成代谢、乙烯的合成、信号传导、细胞增生、分化和凋亡相关，说明这些因素在黄瓜果实发育中对弯曲特性可能起重要作用。Christina 等（2004）从黄瓜和南瓜韧皮部中鉴定出了 45 个不同行使功能的蛋白质。Li 等(2009 )用双向电泳(2-DE)技术和质谱(MS)技术研究了‘黄瓜嫁接苗和自根苗叶片的蛋白质变化。结果表明,嫁接苗叶片中新产生了两类蛋白质:能提高抗病抗逆能力的R蛋白(RGC693蛋白)和促进萜烯类物质合成的鲨烯合酶,能促进叶绿体合成的辅酶和提高光能利用率的捕光叶绿素a/b结合蛋白,它们的出现可以说明嫁接黄瓜的抗病抗逆能力和光合能力优于自根苗的原因。

3 功能基因分析和研究

3.1黄瓜质量性状基因

黄瓜的质量性状中有些是重要的经济性状，目前已经克隆出两性花（M）（刘世强，2008）、小刺（ss）、果皮无光泽（D）、果色匀质性（u）（杜辉，2008；Yuan et al.，2008）、ZYMV-CH、PRSV-W、WMV（李曼等，2010）、Ccu（Zhang et al.，2010）等基因。

3.2 黄瓜抗逆相关基因

黄瓜的主要病害是霜霉病、枯萎病、白粉病，严重影响黄瓜的品质和产量(Lebeda 1992)。关于黄瓜抗病性相关基因的分离方面，研究者分别获得了与爪