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历时十年,他尝了18万片黄瓜叶子,创造80亿元经济价值

首页 » 产业 » 人物 2019-02-27 广州日报人物在线 赞(2)
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导读
2019年1月,黄三文的《黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究》项目获得国家自然科学奖二等奖。

文/广州日报全媒体记者肖欢欢 图来自中国农业科学院

黄瓜我们每天都吃,但像中国农业科学院研究员黄三文这样把吃黄瓜吃出水平,吃出能获得国家自然科学奖的却极其罕见。2019年1月,黄三文的《黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究》项目获得国家自然科学奖二等奖,站在人民大会堂的领奖台上,黄三文激动万分。这已经是他在两个月内第二次斩获大奖了。2018年11月,黄三文获得2018年度何梁何利基金科学与技术进步奖(生命科学奖)。因为研究黄瓜,黄三文和团队先后在Nature、Science和Cell等国际顶尖期刊发表10多篇研究论文。过去十年间,以黄三文为首席科学家的团队破译黄瓜基因组,成功培育了无苦味的黄瓜新品种。他们在破译世界第一个蔬菜作物基因组的同时,还使我国蔬菜基因组科学实现了从跟跑到领跑的重大跨越。

黄三文说,可别小看了小小的黄瓜,黄瓜是我国重要设施蔬菜,年播种面积约1500万亩,约占世界播种面积的50%它常被用来作为研究植物性别决定、维管束形成的重要模式系统。在今年的国家科学技术奖励大会上,一同因为研究黄瓜获奖的还有顾兴芳研究员,其牵头完成的“黄瓜优质多抗种质资源创制与新品种选育”荣获国家科技进步二等奖。

黄三文研究员


在黄瓜基因库中“掘金”

黄三文来自于湖南农村。20世纪80年代,他家种植了袁隆平培育的杂交水稻后产量翻了一番,那时起,他就对袁隆平院士非常崇拜。上大学时,他报考了北京农业大学,学习植物育种学。

1996年,黄三文来到中国农业科学院从事蔬菜遗传育种研究。2005年2月4日,中国农科院蔬菜花卉研究所成立了功能基因课题组,从那时起,黄三文作为中方首席科学家参与了大型国际合作项目——国际马铃薯基因组计划。

他真正与黄瓜“结缘”是在2006年。黄三文说,国内外黄瓜遗传育种研究一直落后于番茄、白菜等主要蔬菜作物,在团队对黄瓜开基因开展研究之前,黄瓜一直没有完整的分子标记遗传图谱,最好的遗传图谱只有 200 多个分子标记,大部分是不可移植的标记,这严重制约了黄瓜遗传育种研究。2006 年,新一代基因测序技术问世,让以前效率低、耗时长、成本高的生物基因组测序成为了可能。

这一年,蔬菜花卉所发起国际黄瓜基因组计划,年仅35岁的黄三文成了首席科学家。测序工作 2007 年正式启动。黄三文大胆采用最新测序技术与传统技术相结合的测序手段,仅仅两年时间,就出了成果。研究成果在2009年11月的《自然—遗传学》(Nature Genetics)上作为封面文章发表。这是第一个蔬菜作物全基因组分析论文,也是我国园艺界第一次在高影响因子的国际学术期刊上发表论文。

2018年11月,黄三文在何梁何利奖颁奖现场

2013 年 10 月,国际权威学术期刊《自然―遗传学(Nature Genetics)》再度发表了由黄三文领衔的国际黄瓜基因组研究团队的论文。该研究对 115 个黄瓜品系进行了深度重测序,并构建了包含 360 多万个位点的全基因组遗传变异图谱。黄三文研究后发现,野生黄瓜果实和植株都比较矮小,果实极苦,在印度被作为草药使用。经过人类的驯化,黄瓜果实和叶片都变大,果实也失去了苦味,由草药变成了蔬菜。黄瓜后来传播到不同地域,形成了三个主要类型:欧亚黄瓜、东亚黄瓜、西双版纳黄瓜。黄瓜传到中国后,为了提高产量,人们渐渐忽视了品质,黄瓜没有黄瓜味了,甚至变得有些苦,不好吃。因此,破译黄瓜基因组只是一个起点,黄三文真正要做的,是要破解黄瓜基因密码,控制黄瓜的遗传育种。“黄瓜基因是个宝,我们就是在其中掘金的人。”黄三文笑着说。



3年尝了6万根黄瓜18万片黄瓜叶子

黄三文告诉记者,那段时间,他整天一门心思想的问题就是如何让黄瓜不苦。做农业基础研究既是个体力活,又是个脑力活。黄瓜有2.3万多个基因,早期技术有限,他们下了苦功夫才破解黄瓜的基因组,“我们发表的第一篇相关论文有近100个作者”。

为了找出控制黄瓜苦味的基因,黄三文团队包下一片黄瓜试验田,采用基因诱变的方法种植了6万多根黄瓜,并亲自品尝,筛选不苦的黄瓜。

“2012年暑假,我们实验小组20多个人,都钻进闷热的大棚里面品尝黄瓜。尝了6万多根黄瓜,每尝一口黄瓜苦还是不苦,必须要用矿泉水漱一下口,否则尝不出下一棵是苦还是不苦”,黄三文说,每根黄瓜需要独立品尝3次,3人一组同时品尝,结果一致才能最终判定。最后,团队一共品尝了18万片黄瓜叶子,才最终找到了两株不苦的“连吃二十几天的时候,我们多人的舌头都开始麻木了,因为对苦味已经不敏感了,都到了那种程度。”那段时间,团队成员在吃饭时见到黄瓜就反胃,有团队成员笑着说,“一个月把一辈子要吃的黄瓜都吃了。”

这两根不苦的黄瓜就成了宝,种子则像金子一样被保管了起来。对于不苦的黄瓜来说,苦味就是突变基因,研究它们的苦味就能破解黄瓜苦味的密码。黄三文对不苦的黄瓜进行研究,发现了控制黄瓜苦味物质合成的9个基因,并发现有两个“开关”基因分别在叶片和果实中控制苦味物质的合成。

黄三文和团队成员在品尝黄瓜


研究团队随后“顺藤摸瓜”,找到了控制黄瓜苦味合成和调控过程中的11个关键基因,其中9个基因负责苦味物质葫芦素的合成,另外两个基因Bl和Bt则被形象地定名为“主开关基因”,控制别的9个苦味合成基因表达与否,此中Bl基因负责控制叶片的苦味,Bt基因控制果实的苦味。“如果可以准确调节2个主开关基因的表达模式,就可以让黄瓜果实中不积聚苦味物质,让黄瓜口感好,同时还可以提高叶片中的葫芦素含量,用于抵御虫害,不用喷农药。”最终,黄三文团队把果实控制苦味物质合成的“开关”关上,不让黄瓜变苦;把叶片控制苦味物质合成的“开关”打开,让叶片苦来抵御虫害。


历时7年破解黄瓜遗传密码

黄三文说,寻找这两个控制黄瓜苦味的“开关”是一个艰难的过程,就整整花了3年时间。一开始他发现,黄瓜的苦味是由葫芦素引起的,极少量的葫芦素就能引起显着的苦味,比咖啡因还要苦100倍。荷兰育种专家采用了“简朴粗暴”的方法——把黄瓜苦味物质葫芦素C粉碎掉,使整株黄瓜完全产生不了苦味,但同时牺牲了叶片的抗虫性。“我们是要精准调控苦味基因,让它们在可食用部位不苦,在其它部位苦,从而既能保证果实口感,又能防御虫害。”

数年探索,黄三文找到了合成苦味物质葫芦素C的9个基因,这9个基因制造苦味物质葫芦素C,苦味的出现由两个“主开关基因”控制,这就为培育高产、兼顾叶苦抗虫和果实不苦的新品种提供理论基础成功解决了华南黄瓜品种变苦而难卖的难题,创造了约80亿元的经济价值。

2014 年,黄三文团队在《科学》上发文宣布发现控制果实数目和苦味形成的关键基因。他们发现,黄瓜只有雌花才能发育成商品瓜,黄瓜的 M 基因能够控制雌花的形成,M 基因是黄瓜首个得到功能确证的重要农艺性状基因,可用于选育高产黄瓜。此外,黄瓜中的合成葫芦素 C 导致果实变苦,他们发现了控制黄瓜苦味物质合成的 9 个基因,并发现有两个 “开关” 基因分别在叶片和果实中控制苦味物质的合成。此时,距离黄瓜基因组计划启动已整整过去7年时间。

黄瓜是蔬菜中第一完成基因组研究的作物,这个项目的成果带动了其它蔬菜(白菜、番茄等)的基因组研究,研究团队先后在Nature、Science和Cell等国际顶尖期刊发表10多篇研究论文,使我国蔬菜基因组学科进入国际领先行列。

不抗虫黄瓜与抗虫黄瓜(右)

“以前菜农担心黄瓜变苦了卖不出去,我们培育的黄瓜新品解决了这个问题。口感好的黄瓜,大家都喜欢吃。”黄三文说,自己也出生农家,研究能造福农民,是他最开心的事。


5年内揭开番茄“美味密码”

如今担任中国农科院农业基因组研究所所长的黄三文总结说,做农业研究必须要坐得起“冷板凳”。第一是能下地,要和农作物亲密接触;第二是要在实验室潜下心,能做好实验;第三是要能在计算机旁坐得住,分析好数据。

破解黄瓜基因密码的过程

如今,他正带队开展另一项科研攻关——恢复番茄原来的口味。“现在大家都说番茄没有以前好吃了,我就是要解决这个问题。”

从2004年起,黄三文带领科研团队参与番茄基因组测序任务。成果自2012年后陆续发表在《自然遗传学》《科学》等国际顶级学术期刊上。他的团队分析了来自世界各地400多份番茄的风味物质含量、并进行基因组测序和生物信息学分析,获得了控制风味的250多个基因位点,阐明了番茄风味的遗传基础。研究团队发现,之所以“番茄没有以前的味道了”,是由于在现代育种过程过于注重产量、外观等商品品质,导致了控制风味品质的部分基因位点丢失,造成13种风味物质含量在现代番茄品种中显著降低,最终使番茄口感下降。

2018年1月,黄三文团队利用多重组学的大数据,揭示了在驯化和育种过程中番茄果实营养和风味物质发生的变化,并发现了调控这些物质的重要遗传位点,为植物代谢物的分子机理研究提供了源头大数据和创新方法,从而为番茄果实风味和营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了路线图,成果在《细胞(Cell)》2018年第1期发表。

我们已经培养出了含糖量提高的番茄新品种,也正力争恢复番茄原来的浓郁风味,使美味番茄早日进入人们的餐桌上。我们现在正在利用基因组学知识改良番茄风味,5年之内将推出新品种。”黄三文说。(转化医学网360zhyx.com)

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