中大fruitENCODE项目从11种肉质果实的「垃圾DNA」找出隐藏瑰宝 为培植更健康水果开创新方向

香港中文大学 (中大) 生命科学学院助理教授钟思林教授率领一支云集来自美国、英国、西班牙和阿根廷植物学家的国际团队，最近阐明了肉质果实进化的遗传和表观遗传基础，有助日后培植含有更高营养价值的水果。这项研究结果已于著名科学期刊 《 Nature Plants 》 发表。 

肉质果实含有丰富的纤维、维生素、矿物质、植物化学物质和抗氧化剂，进食它们在人类健康饮食中起重要作用。对植物而言，果实是由花朵演变而来并携带种子的构造。古老的开花植物结出的干果实，可以透过风力传播、机械散播或依附在动物的毛皮上传播。肉质果实于大约八千万年前才进化至使植物能够与食用果实的动物起相互作用，并透过动物排便把种子分散到远处，大大提高繁殖的成功率。 

尽管许多肉质果实基因组已被测序，科学家仍不知道植物如何能进化出如此多样化的果实。一个重要的启示是不同果实所需的基因早已存在于古老的开花植物基因组中；因此答案并非在蛋白编码基因内，而是存在于非蛋白编码区域内、以往被认为是无用的「垃圾DNA」。 

由中大领导并获全球植物学家支持的 fruitENCODE 联盟，促成了一个载有11种肉质果实的全面功能基因组数据库，包括361组基因表达资料、71组全基因组开放染色质区域图谱、147组组蛋白修饰资料及45组全基因组DNA甲基化图谱。通过比较这些果实基因组中的非编码调控元素，研究人员发现了三种调节肉质果实成熟进化的路径。双子叶果实中的苹果、梨和蕃茄是由复制开花的基因进化，以控制果实的成熟；蜜瓜、桃和木瓜则使用控制衰老的基因。单子叶植物香蕉在大约1亿至1亿6千万年前与双子叶植物分离，其果实成熟则同时利用了开花和控制衰老这两种基因。双子叶果实中的西瓜、青瓜、葡萄和士多啤梨则进化出一套不依赖乙烯的调控果实成熟的机制。 

研究团队更发现表观基因组H3K27me3在限制肉质果实成熟方面发挥了保守的作用。H3K27me3是一种抑制性组蛋白修饰，在动物或植物中都发现它与主要发育基因的沉默有关连。在肉质水果物种中，使用稳定的表观遗传标记如H3K27me3以保证果实成熟路径在严格的发展控制下具有显著的进化优势。 fruitENCODE 亦发现古老植物物种中与成熟基因的同源基因上也有类似的H3K27me3标记。这说明在进化过程中，一些果实如蕃茄、桃和香蕉不单劫持了其祖先被子植物的基因，还沿用了它们的表观遗传标记来控制成熟。 

钟思林教授表示：「透过分析11种肉质果实基因组内的『垃圾DNA』，大大增加我们对调节果实成熟机制的理解。未来我们终有可能设计特定基因的调控原件，以控制其表达，从而改善水果的营养价值、卖相及保鲜期。」  

有关 fruitENCODE

肉质水果成熟是一个不可逆转的发育过程，它会改变载有植物器官的生理和生化特性，以帮助种子传播。在模型果实蕃茄中，其乙烯激素、果实特异性转录因子及表观基因组重组，共同调节其果实成熟过程。这个复杂的成熟机制对于植物进化非常重要，因意外激活果实成熟，使果实被动物吃掉，会造成不必要地浪费种子。相对较为稳定的表观遗传机制可作为发育开关，防止果实在种子成熟前成熟。可是，由于肉质果实于不同的植物谱系中独立地进化，单靠观察蕃茄的情况作其他物种的参考是不切实际的想法。因此， fruitENCODE 项目的目标不仅为蕃茄的基因组作综合分析其功能元素，更包括多种肉质果实物种，以检验果实成熟过程的多样性。 

详情请浏览： http://www.epigenome.cuhk.edu.hk/encode.html