番木瓜 [热带名品番木瓜]

　　橙色的外表下，鲜红诱人细软的果肉，甜蜜而饱满芬芳的汁液，这就是被称为“百果之王”的番木瓜。最近，中美科学家联合绘制出了番木瓜的首张基因组草图，更使它的褶褶光芒，呼之欲出。
　　
　　漫谈番木瓜
　　
　　
　　番木瓜，俗称木瓜，原产南美热带地区，14世纪末，它已在中美洲广泛种植。哥伦布发现新大陆后，西班牙和葡萄牙的水手，将番木瓜传播到世界各地的热带和亚热带地区。随着西班牙人和葡萄牙人到中国来兴办教堂、学校和医院，番木瓜也被传入中国。目前，在我国台湾、福建、海南、广东、广西、四川、云南等省均有栽培。
　　番木瓜鲜果外形美观、皮薄肉厚、汁多味甜、气味清香、营养丰富。据美国有关部门测定，番木瓜在人们所食38种常见水果中，营养价值居首位。番木瓜既可鲜吃，也可制成饮料、果胶、果脯、果干等。同时，番木瓜全身都是宝，果实、茎、叶、根均可应用，可食用也可药用。成熟番木瓜是消化不良、心脏病、高血压、糖尿病等患者的理想果品，可用作胃病、痢疾、便秘、风痹、烂脚等辅助治疗食物。早在15世纪，哥伦布就曾发现，加勒比海地区的土人常在进食大量的鱼和肉之后，吃一些番木瓜，借以防止消化不良。至今，他们还利用番木瓜的绿叶包裹肉类过夜后再蒸煮，或者干脆将叶与肉类共煮。
　　番木瓜中含有丰富的木瓜蛋白酶，可作消炎、止痛、止痒、助消化、利胆以及治疗妇科病、皮肤病、口腔病、青光眼等药物，如时下专用于隐形眼镜的清洗液中就含有木瓜蛋白酶。同时，木瓜蛋白酶具有特殊的嫩肤作用，能有区别地消化分解老皮肤而不伤害新皮肤，与保湿、天然药物等制成的护肤品，保湿养颜、洁肤美白的效果更佳。在选美王国委内瑞拉，美女们的肌肤总是那么清新有活力，据专家考证，这皆因她们非常懂得善用番木瓜来保养肌肤的缘故。
　　
　　情定番木瓜
　　
　　对食品和可再生能源不断增长的需求是人类在21世纪面临的重大挑战，以植物为基础的技术对迎接这些挑战至关重要。因此，国际上对植物基因的研究和对人类基因的研究一样，也在如火如荼地进行着。拟南芥、水稻、杨树基因组测序工作已在2000年、2002年、2006年悉数完成；2007年，被称为“葡萄酒之都”的法国也骄傲地完成了葡萄基因组的测序工作，它是被测序的第一种水果作物，也是一种温带果树。人们猜测，是不是该有一种热带植物浮出水面了。没错，早在2004年，中美科学家就投入到了热带果树番木瓜的测序工作当中。
　　对于研究热带植物尤其热带果树的染色体组来说，番木瓜无疑有一套理想的遗传系统。它的基因组相对较小，只有372Mb；转化系统已经建立；世代周期较短，从种植到结果只要9～15个月；全年都能开出洁白的花朵；性染色体系统比较原始。更难得的是，番木瓜还是第一种进行转基因实验的水果，了解它的基因有助于人们认识转基因食品。破译番木瓜的基因“密码”，可以更好地了解转基因植物的成长奥秘，提高更多木本经济作物的产量。
　　2004年初，天津市开始了与美国夏威夷州关于合作进行番木瓜基因组测序计划的谈判。12月，番木瓜基因功能组的研究项目正式启动，它由美国政府提供科研经费，天津市功能基因组与生物芯片研究中心、南开大学和美国夏威夷大学作为项目的共同主持单位，共30家单位参与。
　　研究组首先在盛产番木瓜的美国夏威夷州选择了一株抗环斑病毒的转基因植株“SunUp”，这个品种在美国已经推广种植了几十年。早在20世纪90年代初，番木瓜环斑病毒在夏威夷普纳区番木瓜林中的一次暴发，对番木瓜造成严重损害。后来，两种能够抵抗这种病毒的转基因栽培变种的种植，帮助维持了产量，其中一种就称为“SunUp”。
　　现在，“SunUp”品系番木瓜的基因组序列“初稿”已经确定，这对一种商业抗病毒转基因果树来说还是第一次。那为什么要选择转基因植株来测序呢?因为，转基因作物的序列信息将准确地描述转基因技术对目标作物的遗传信息的改造，并预测可能对目标作物带来的功能性变化。
　　
　　
　　基因巧分配
　　
　　研究组首先从番木瓜的细胞中提取出DNA，使用“鸟枪法”先将整个基因组打乱，切成随机碎片，然后测定每个小片段序列，最终利用生物信息技术对这些切片进行排序和组装，并确定它们在基因组中的正确位置，再拼接到一起，就成了完整的基因图谱。就像人们玩的拼图游戏，将一个完整的画面分成杂乱无章的碎块，然后重新拼装复原。
　　对于任何一个被测序的基因组，科研人员都要推断该基因组所包含基因／蛋白的位置和结构，这个过程我们通常称之为“注释”。注释完成之后，研究组又对所发现的大量基因中，找到与番木瓜果实质量、产量、抗病性、环境适应性等有关的基因，并和已经测序完成的拟南芥、水稻、葡萄、杨树作了系统的比较，希望为番木瓜生产和育种提供帮助。
　　番木瓜一般树高5～10米，但是，根据基因比对推测，它却和只有几十厘米高的拟南芥在7200万年前拥有一个共同的祖先。进化到今日，番木瓜的基因组是拟南芥的3倍(372Mbp:125Mbp)，但是基因数量却较拟南芥少(24746:31114)。不过，虽然少，只要利用得好，番木瓜对关键酶的基因分配显然有自己的一套。
　　想像一下番木瓜那松软的果肉，香甜的口感，这要得益于它拥有更多的用于细胞壁松弛和淀粉制造酶(数量是拟南芥的2倍)的基因。你一定会对番木瓜的气味难以忘怀，因为它拥有较多的用于制造挥发性化合物的基因，挥发性化合物产生的气味吸引着传粉者和动物，后者吃掉番木瓜的果实并把它的种子散播开来，这也是番木瓜为了生存而进化出来的繁殖谋略。这些基因和番木瓜品质和产量密切相关，它们功能分析的深入研究将会对番木瓜育种技术带来一个质的飞跃。
　　研究组还对番木瓜光合作用相关基因做了研究，发现和拟南芥相比，番木瓜光周期调节基因明显要少得多，这可能也是和它长期生活在日照长度变化较小的热带有关。通过对木质素类基因数量的研究，发现番木瓜所含的基因数量介于杨树和拟南芥之间。这再一次说明了在若干年以前，番木瓜从一种草本植物慢慢进化成了一种木本植物。
　　
　　漫漫进化路
　　
　　大约在1亿2千万年前，拟南芥、杨树、葡萄、番木瓜都经历过“整基因组三倍复制”。在近代的进化过程中，拟南芥又经历了两次“整基因组两倍复制”。番木瓜不仅没有经历类似过程，而且该植物在过去的7 200万年中，整个基因组几乎没有发生重大的基因突变，可以说，番木瓜是代谢网络研究和比较基因组学研究的理想植物。
　　项目组负责人之一、美国分子生物学家瑞明曾说过，番木瓜是一种不同寻常的植物，因为它有三性――雄株、雌株和雌雄同株，每一性的开花都截然不同。性染色体通常被认为是从常染色体进化而来的。番木瓜的Y染色体极为原始，雄性区域很小，且失效基因的比例(约为38％)低于人类Y染色体的比例(95％)，这一发现说明番木瓜的雄性区域是刚刚开始从常染色体分化。“番木瓜的雄性特异区域可能与2亿4千万到3亿2千万年前人类Y染色体的祖先相似。”那么，番木瓜基因图谱对性别决定机制的起源和进化将提供一定的帮助。
　　这项新的研究还发现，转基因番木瓜的基因组中只有3处留下了植入基因的痕迹，而位于细胞核内的核基因丝毫未受影响。因此，基因组测序使我们首次了解到外加基因在转基因番木瓜中引发的基因变化，这将有助于打消人们对转基因番木瓜的疑虑。此外，当定向插入基因技术成为可能时，该基因组草图的确能够对目标位置有很好的指导作用。
　　2008年4月，《转基因热带水果植物――番木瓜的基因组草图》的成果论文以封面文章的形式在《自然》杂志上发表。这是世界上首次绘制完成的一株转基因经济作物全基因组图谱，成为我国继人类基因组计划、水稻基因组计划之后在基因组学研究领域取得的又一重大突破，对农作物育种、农业生产和人类对转基因植物的认识具有极重要的意义。
　　得到基因图谱，相当于得到一本书，下一步则是读懂这本书。“读懂”可能比“得到”更关键。即使读懂一部分，对人类的帮助也会非常之大。南开大学与夏威夷大学还将在一系列基因组破译和功能基因组学研究课题上深入合作，因为对番木瓜基因组的深入分析将揭示植物性别决定机制的起源和进化；对番木瓜高产、高质和抗病相关基因的预测将为番木瓜功能基因组学的研究和合理运用番木瓜资源奠定基础。
　　感谢南开大学番木瓜基因功能组研究项目负责人之一王磊教授和《转基因热带水果植物――番木瓜的基因组草图》第一作者之一冯云老师的帮助和指导。
　　
　　(责编　桑新华)