菠菜的基因与祖先

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…

菠菜的基因与祖先

菠菜。图片来源:Wiki

(文/叶绿舒)

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镳;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!


参考文献:
  1. Boswell, Victor R. (August 1949). “Garden Peas and Spinach from the Middle East”. Reprint of “Our Vegetable Travelers”. National Geographic Magazine. 96 (2).
  2. Xu C. et. al.,2017. Draft genome of spinach and transcriptome diversity of 120 Spinacia accessions. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms15275.

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