西雙版納無卷須黃瓜的葉腋處，變態側枝在正常卷須的生長位置替代了正常卷須。 楊學勇供圖
很多人都吃過黃瓜，可能還見過生長中的黃瓜和它的莖蔓。那么，你注意過黃瓜的卷須嗎？你知不知道為了促進黃瓜健康生長，卷須常常會被農民去掉？你會不會好奇黃瓜長卷須的原因和它背后的植物生長密碼？
科學家對這些問題好奇，并在思考這一問題的答案如何給人類帶來更大的農業福利。
近日，《自然—植物》在線發表了中國農業科學院蔬菜花卉研究所、深圳農業基因組所、中國科學院生物物理研究所和美國加州大學戴維斯分校等6家單位的合作成果。他們發現，黃瓜卷須身份基因TEN是一個新型的多功能轉錄因子，能夠結合在基因內部的增強子上，并通過乙酰化修飾組蛋白球體區域的賴氨酸，打開染色質，激活靶標基因。
這個結果如何造福人類？我們從達爾文的一個疑惑說起。
達爾文的卷須之問
在設施生產上，黃瓜栽培需要吊蔓生長，不需要黃瓜卷須的攀緣能力。同時，卷須作為營養器官的生長爭奪了大量生殖器官即黃瓜生長所需的養分。論文通訊作者、中國農科院研究員黃三文告訴《中國科學報》，在生產上需要及時去除卷須，以促進黃瓜的健康生長、保證產量。而人工去除卷須費時費工。因此，培育適合輕簡化栽培的無卷須品種，將成為黃瓜株型改良的一個重要方向。
2010年，黃三文團隊開始從基因組學中尋找這一實際生產問題的答案，結果卻意外地解答了一百多年前困擾達爾文的一個基礎生物學問題。
1875年，達爾文在《攀爬植物的運動和習性》一書中發問：“葫蘆科植物卷須的同源器官是什么？”
這是因為，科學家發現豌豆（豆科）卷須的同源器官是葉，葡萄（葡萄科）卷須的同源器官是花序，而同樣的方法卻不能證明葫蘆科代表植物黃瓜卷須的同源器官是什么。
論文第一作者、中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員楊學勇告訴《中國科學報》，通過鑒定世界范圍內的3342份黃瓜種質，團隊從中發現了唯一的西雙版納無卷須黃瓜。在它的葉腋處，本來應該生長卷須的位置，長出的是變態側枝，替代了正常卷須，其側枝的末端還保留了卷曲的特征。研究人員克隆了控制卷須的身份基因TEN，其編碼一個CYC/TB1類轉錄因子，這類轉錄因子是植物株型調控的核心。
該研究成功回答了達爾文的葫蘆科卷須之問，即黃瓜卷須的同源器官是側枝。
全新的多功能轉錄因子
“于是，我們就想知道TEN是如何調控黃瓜卷須形成的。”黃三文說，沿著這條路走下去，他們發現了黃瓜卷須另外兩個神奇之處。
轉錄因子是一類蛋白質分子，承擔著啟動基因組中特定基因表達的功能。科學家已經了解轉錄因子結合在基因的近端啟動子或遠端增強子上調控轉錄的機制。
“但最近的研究發現，CYC/TB1類的轉錄因子能夠結合到某些基因的內部，從而激活下游靶標。”中國科學院上海植物逆境生物學研究中心研究員朱健康說。
楊學勇說，通過基因組學、轉錄組學、生物化學等綜合分析，他們鑒定出TEN在黃瓜全基因組中的1700余個轉錄因子結合位點，并發現這些結合位點主要位于基因內部。
研究人員鑒定出TEN通過C端結合在基因內部的474個直接靶標基因，主要參與腋芽發育和乙烯合成信號等生物學過程。這些基因內部的調控位點是一類新型的基因內部增強子。
通過分析，黃三文團隊證明，TEN編碼的轉錄因子的N端結構域是一類全新的組蛋白乙酰轉移酶，主要乙酰化修飾組蛋白球體區域的H3，維持染色質開放，從而激活靶標基因表達。
“這項研究通過黃瓜卷須這個特殊的‘透鏡’，為解答結合到基因內部的轉錄因子如何調控基因表達這一基礎科學問題提出了新的見解，是發育生物學和基因表達調控領域的一個重要突破。”朱健康評價說。
猜測：一種保守的調控機制
黃三文認為，TEN轉錄因子的上述兩種特殊功能，可能讓其工作效率更高。
由于真核生物的組蛋白球體區域相對保守、非常相似，這引發科研人員思考：TEN的這種多功能性，在其他生物中存在嗎？研究人員首先在玉米中驗證了tb1基因具有相同的分子機制，調控下游靶標基因的表達。
為了在動物中驗證這一新機制，他們查閱了研究最多的人類中的增強子結合轉錄因子的文獻。盡管人體中尚未找到類似的雙重功能的轉錄因子，但他們發現，當轉錄因子結合位點是在基因內部增強子上，組蛋白的球體區域的乙酰化程度很高。“分子過程雖然還不清楚，但確實有這個相關性。”楊學勇說。
研究人員推測，在真核生物中，組蛋白球體區域乙酰化可能是基因內部增強子表達調控的一個保守機制。
黃三文團隊計劃利用黃瓜為實驗體系，破解植物次生代謝基因簇精確調控、性別決定、卷須形成等基礎生物學問題。同時，他們還要嘗試回答最初的問題。“希望利用這項研究成果，培育出沒有卷須、產量更高、栽培更輕簡化的黃瓜新品種。”黃三文說。
相關論文信息：//doi.org/10.1038/s41477-020-0715-2
(單位：中國農業科學院蔬菜花卉研究所、中國農業科學院深圳農業基因組所 )
