每年切开十万个西瓜，他们的工作发了顶刊

炎炎夏日，北京大学现代农业研究院的张兴平研究员和邓云研究员正忙碌于西瓜大棚中。每年，他们都会在山东和海南连续种植3至4茬西瓜，每茬大约收获3万个果实。他们会逐一切开这些西瓜，观察其性状并采收种子。作为业内公认的“世界瓜王”，张兴平心中有一个愿望：将西瓜驯化过程中丢失的抗病耐逆基因重新导入栽培西瓜（Citrullus lanatus），培育出优质、抗病且适应性广泛的新型西瓜品种。

超级泛基因组图谱

西瓜育种的历史可以追溯至数千年前。这种原产于非洲的水果，经过一代代人的驯化和选择，甜度逐渐提升，果肉也变得鲜红，最终成为今天广受喜爱的水果。然而，过去的育种者往往只关注西瓜的口味、色泽和产量，导致栽培西瓜的遗传多样性日益狭窄，许多原有的抗病耐逆基因也随之丢失。在气候变化加剧、病虫害频发的今天，重新找回这些丢失的基因对于西瓜的可持续生产至关重要。

除了我们如今吃到的栽培西瓜，西瓜属中还有6种野生西瓜。尽管栽培西瓜失去了许多宝贵的基因资源，但生长在恶劣自然环境中的野生西瓜仍然保留着这些优质基因。野生西瓜就像一个巨大的基因宝库，而完整且高质量地绘制西瓜属所有品种的基因组图谱，是育种学家有效利用这一资源的关键。因此，多家科研机构和高校于2008年共同发起了“国际西瓜基因组”计划。

16年过去了，在最近发表于《自然·遗传学》（Nature Genetics）的研究中，张兴平团队与北京大学现代农业研究院农业组学大数据平台的何航团队合作，终于完整构建了西瓜属全部7个种的端粒到端粒（T2T）基因组图谱。该图谱不仅填补了此前西瓜基因组图谱的空缺，还发掘出11 225个此前未在栽培西瓜中发现的基因，其中大多数来自野生西瓜基因组，成为西瓜育种的重要基因宝库。

过去，构建T2T基因组图谱是一项极为艰巨的任务。二代测序技术的读长（单次测序所能测得的序列长度）较短，尤其在端粒和着丝粒等重复序列区域，仅凭二代测序结果难以有效拼装这些区域的序列，因此基因组图谱上常会留下许多缺口。随着近年来三代测序技术的逐渐成熟，特别是高保真（HiFi）测序、纳米孔超长读长测序以及高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术的应用，构建T2T基因组图谱终于成为可能。

2022年，张兴平团队的邓云作为第一作者，在《分子植物》（Molecular Plant）上发布了首个栽培西瓜的T2T基因组图谱。如今，为了全面掌握西瓜属的基因组信息，张兴平团队与何航团队通力合作，根据遗传多样性、地理分布和农艺性状，选取了涵盖西瓜属全部7个种的28份代表性材料，构建了首个达到T2T水平的西瓜属超级泛基因组图谱。

揭秘西瓜驯化史

然而，拥有基因组序列只是开始，要真正推进西瓜品种的培育，关键在于将基因与其功能对应起来。研究团队要从海量数据中挖掘与优良性状相关的潜在基因，并通过实验验证这些基因的功能。何航团队的博士研究生张宜林与张兴平团队的赵明霞副研究员、科研助理谭景胜和黄铭涵博士等人密切合作，共同完成了这一艰巨任务。

通过将测序结果与参考基因组比对，研究团队不仅发现了超过一万个此前未在栽培西瓜中发现的基因，还鉴定出超过46万个结构变异。其中，许多结构变异与西瓜的葫芦素（一种苦味分子）含量、含糖量、果肉着色等重要性状密切相关。张宜林指出，与单个点突变相比，结构变异对基因组结构和功能的影响更为显著。过去的参考基因组不够全面且质量欠佳，因此难以精确定位和分析这些结构变异。这次绘制的超级泛基因组图谱不仅质量更高、覆盖更广，还特别关注了野生西瓜，与以往主要关注栽培西瓜的研究相比，这一图谱更有助于培育新品种。

此外，研究团队还重点关注了西瓜染色体的着丝粒区域。由于这些区域存在大量重复序列，在构建完整的T2T基因组图谱之前，研究这些区域一直十分困难。但是，着丝粒区域的高度保守性，使它成为分析西瓜亲缘关系和驯化历史的重要材料。

测序结果显示，尽管栽培西瓜与罗典西瓜（Citrullus naudinianus）在全基因组水平上的亲缘关系较远，但它们的着丝粒序列却具有相似性。而且，虽然饲用西瓜（Citrullus amarus）在基因组水平比药西瓜（Citrullus colocynthis）更接近栽培西瓜，但药西瓜的着丝粒序列却更接近栽培西瓜。这表明这些物种的部分染色体着丝粒区域可能经历了独立的演化过程。

此前的研究认为，栽培西瓜的祖先是产自非洲东北部的科尔多凡西瓜（Citrullus lanatus subsp. Cordophanus，一种白肉西瓜）。然而，研究人员在栽培西瓜的基因组中也发现了与黏籽西瓜（Citrullus mucosospermus，一种西非种植的半野生近缘种西瓜）相同的结构变异，这表明黏籽西瓜在栽培西瓜的驯化过程中也发挥了至关重要的作用。邓云指出，科尔多凡西瓜和黏籽西瓜没有苦味，可能是人类在旅行过程中，将这些水分充足且略带甜味的物种从非洲首先带到了西亚地区，随后传播到世界其他地区。

培育新品种

像数千年来的育种者一样，张兴平团队始终致力于选育优秀的西瓜品种。为了培育出能抵抗多种病害的西瓜，团队以一个栽培西瓜作为本底，通过一代代种间杂交，逐步引入了枯萎病、病毒病、白粉病和炭疽病的抗病基因。经过十余年的努力，他们终于选育出了抗多种病害的自交系PKR6。如今，他们仍在继续培育抗蔓枯病等其他病害的新品种。

但是，培育新品种并非简单的基因加减过程。由于基因在染色体上的连锁分布，在杂交和回交的过程中，引入一个优良性状时，往往会同时引入一些不良性状，这种现象被称为“连锁累赘”。现在，有了这张精准全面的基因图谱，研究团队就能更针对性地培育新品种。他们能设计出避免连锁累赘的育种方案，开发特定基因的分子标记，快速筛选出仅携带优良性状而不产生连锁累赘的单株，极大提升育种效率。

现代农业已逐渐发展成为一个交叉学科，除遗传学和生物信息学外，一系列先进技术也在其中扮演着重要角色。赵明霞表示，基于这张超级泛基因组图谱，他们正在开发西瓜基因芯片。研究团队计划将最新鉴定出的大量结构变异位点加入芯片中，以加速栽培西瓜的育种。通过与野生西瓜的杂交育种等方式，他们希望重新引入栽培西瓜在驯化过程中丢失的抗病耐逆基因。