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西瓜上的花紋是怎樣形成的?

2018年01月18日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 10 ℃ 次

【方沒有的回答(73票)】:

上面趙永峰的解釋,提到了形態素理論,圖靈的斑圖理論,及其它相關理論。面面俱到,上小學的小朋友覺得深奧,大朋友估計也會迷失在理論中。這裡,直面西瓜皮,說下遺傳學上的解釋

首先來看看商品化的西瓜的皮紋有哪些:想不到還有黃色、白色的西瓜皮吧。下圖有10種瓜皮,那麼決定瓜皮的基因有多少?是數個基因(質量遺傳)還是成千上百個基因(數量遺傳)決定的?瓜皮條紋看起來像是數量遺傳,其實是質量遺傳。數量遺傳和質量遺傳的區分不是基因數量決定的,而是由性狀本身的特性決定。若性狀適宜以量化形式表示,就是數量性狀,如身高、膚色、虹膜炎顏色等;若是非量化的,就是質量性狀:如豌豆光皮皺皮、豚鼠黑毛白毛、牲畜有角無角等。研究發現,決定瓜皮條紋性狀的基因不到10個

西瓜農藝性狀的遺傳學,人們開展研究比較早。最早的一篇文獻,1937年Porter報道了瓜皮淺色 vs 深色,線紋 vs 條紋等性狀的群體遺傳學規律(見下圖)[1][2]。群體遺傳實驗經典的就是孟德爾的豌豆實驗,不同品種的豌豆進行雜交,豌豆成熟後收集種子,數各種種子的個數。不過這裡是對西瓜品種進行雜交,然後看瓜皮條紋、瓜瓤顏色、西瓜形狀、種子形狀等。當然,那時候摩爾根的染色體遺傳大行其道,Porter也運用了這一理論來解釋瓜皮的遺傳。看懂了下面3張圖,也就看懂了瓜皮的遺傳學:

(圖1. 瓜皮「深色 vs 淺色」的遺傳, 分別由g allele和 G allele決定)

(圖2. 瓜皮「線紋 vs 條紋」的遺傳,分別由p allele和 P allele決定)

(圖3. 瓜皮形狀「橢圓、長圓、圓形」的遺傳,由m gene及其等位基因決定)

由此可見,20世紀30-40年代人類就弄清楚了西瓜皮的遺傳規律。只不過,在50年代後隨著分子生物學的創立,人們的研究更加精細了,弄清了上述位點上的基因是什麼。

現在西瓜研究的聖地是北卡羅來納大學園藝系的Todd C. Wehner實驗室。他們不僅研究西瓜各種性狀的分子遺傳(要mapping gene),也培育了很多西瓜新品種,轉基因西瓜,三倍體無籽西瓜,四倍體西瓜等等。看看下面紫皮黃斑紅瓤兒、綠皮黃斑黃瓤兒的西瓜是怎麼回事?因為瓜皮看起來像夜空中的月亮和星星,他們都叫星月西瓜(Moon and Star Watermelon)[3]。

這是怎麼回事?西瓜轉了海參的基因嗎???

(不是啦,是(不是啦,是非洲黃瓜)

遺傳學很有趣吧,遺傳學家也要從娃娃抓起,哈哈,謝謝何文慧小朋友!

參考文獻:

[1] Porter, D.R. 1937. Inheritance of certain fruit and seed characters in watermelons. Hilgardia 10: 489-509.

[2] G. Gusmini - ?T. C. Wehner. Genes Determining Rind Pattern Inheritance in Watermelon 2005 HortScience 40(6) 1928-1930

[3] Poole, C.F. 1944. Genetics of cultivated cucurbits. J. Hered. 35: 122-128. (星月西瓜的遺傳)

延伸閱讀:

決定西瓜性狀的基因一覽

CGC Watermelon Genes 2007(圖表很豐富,Wehner, 2007: 8 genes added, 60 genes total,plus 111 molecular markers)

中國西瓜品種 西瓜種類,西瓜品種大全

西瓜品種英文目錄 Watermelons & Watermelons reviews

【趙永峰的回答(119票)】:

這個問題其實非常非常大……不過生物就是這樣,小朋友不小心提一個問題搞不好就是未解的難題……所以我估計這個答案暫時不太容易解釋給小朋友聽。

應該說人們並不確切清楚答案。與此相關的領域是系統生物學如今非常活躍的一個研究領域——斑圖形成(Pattern Formation)。順帶一提,另一個關於西瓜的問題與另一個系統生物學非常活躍的領域有關——生長控制(Growth Control)。如果說前者我們還有些假說,那麼後者幾乎還是一個謎。

具體到西瓜皮上的斑圖,我不清楚有沒有具體的研究。但是至少到現在,此類斑圖我們有一些假說。首先一個非常流行的基本假說是成形素(morphogen),這個假說可以用一張圖簡單地概括(啊slide裡寫錯字了……):

這個機制需要有一部分細胞分泌成形素並且形成梯度,而細胞對這個信號的響應有一個閾值。在這種機制下,我們可以得到一個自動縮放的斑圖——如果系統的大小變化,斑圖的大小也會跟著變化。但這個假說有很多容易令人疑惑的部分——有些系統成形素是什麼並不明確;某部分細胞怎麼知道自己是要分泌成形素的「領導」;要命的是,因為細胞表面受體飽和的問題,領導們也很難控制分泌成形素的量來控制分界線的位置;而最要命的是,如果有噪聲,我們根本看不到這麼明顯的邊界。這個機制需要有一部分細胞分泌成形素並且形成梯度,而細胞對這個信號的響應有一個閾值。在這種機制下,我們可以得到一個自動縮放的斑圖——如果系統的大小變化,斑圖的大小也會跟著變化。但這個假說有很多容易令人疑惑的部分——有些系統成形素是什麼並不明確;某部分細胞怎麼知道自己是要分泌成形素的「領導」;要命的是,因為細胞表面受體飽和的問題,領導們也很難控制分泌成形素的量來控制分界線的位置;而最要命的是,如果有噪聲,我們根本看不到這麼明顯的邊界。

另一個可能的機制是由圖靈提出來的——圖靈斑圖(Turing Pattern)。在這個機制中,我們需要兩種成形素:一種促進劑,促進兩種成形素的產生;另一種是抑制劑,能夠分解促進劑。如果抑制劑的擴散速度比促進劑快,那麼兩種成形素會無法和平地共處(術語:發生圖靈分岔導致空間均勻態失穩),而在空間中形成週期性的斑紋——就像是斑馬紋或者西瓜的紋路,事實上圖靈一開始也是為了解釋斑馬紋而提出的這個模型。

這兩個機制結合起來似乎可以作為很多斑紋形成的假說,但事實是不是如此其實我們並不太清楚。因為生物中的斑紋還需要控制好噪聲,需要能夠根據個體大小自動調節斑紋的尺寸(或者維持尺寸不變)等等。如果要滿足需要的種種要求,有可能會需要一個非常複雜的通路,而我們既不清楚控制斑紋形成的全部通路,也不知道怎樣的通路結構可以給我們怎樣的斑紋。

除了這兩種經典的模型,斑紋的形成還可能有其他機制。比如細菌如果可以感受到周圍細菌的密度,使得越擁擠的地方細菌游得越慢,這種抱團的結果也可以形成斑圖。再比如兩類細胞如果各自的粘附性不一致,也可能自發地分離開來形成明顯的斑紋。甚至不靠成形素,而靠相鄰細胞直接通信,也可能產生斑紋……總之,可能的假說還有很多很多……

生長控制我們還沒有什麼好的假說……簡單地猜想可能是通過一些負反饋調節讓個體只長到固定的大小,但考慮到誤差、穩定性、穩健性、scaling等等問題,實際遠遠沒有說起來這麼簡單……這個話題接觸不多,我就不多說了……

【張學哥的回答(0票)】:

長出啦的

標籤:-生活常識 -遺傳學 -西瓜 -植物生理學


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