我國蔬菜基因組學(xué)研究由此從“跟跑”轉(zhuǎn)向“領(lǐng)跑”
“無苦味黃瓜分子育種方案的提出，證明多年來對基因組學(xué)的持續(xù)投入終于對生產(chǎn)有了回報?！?1月29日，中國農(nóng)科院蔬菜花卉所研究員、深圳農(nóng)業(yè)基因組所副所長黃三文，對外宣布了這項令植物學(xué)界為之振奮的成果。
“吃黃瓜快吃到瓜蒂時，往往會變得非常苦。這是因為老祖先的馴化并未完全解決黃瓜苦味問題，科學(xué)家也一直沒找到原因。”黃三文試圖用最通俗的語言解釋說，“5年來，我們終于找到了合成苦味物質(zhì)葫蘆素c的9個基因，也找到了調(diào)控黃瓜苦味的兩個‘主開關(guān)’?！?/p>
11月28日出版的《科學(xué)》雜志以長篇論文形式發(fā)表了該成果。這也是近5年來《科學(xué)》《自然》和《自然—遺傳學(xué)》雜志第8次報道黃三文團(tuán)隊的成果。
同時，這標(biāo)志著經(jīng)過數(shù)十年努力，我國蔬菜基因組學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)身。
“嘗出來”的突變體
苦味是一個在黃瓜長期馴化過程中尚未解決的難題。
“造成黃瓜苦味的物質(zhì)是葫蘆素c，而葉片中的苦味有非常好的抗病蟲性。讓葫蘆素c僅存于葉片中而不影響黃瓜口感，這個問題很難均衡?！秉S三文介紹說，即使在目前黃瓜育種最領(lǐng)先的荷蘭，也只能做到葉片不苦、果實(shí)也不苦，但黃瓜的抗病蟲害能力會受到影響。
時光拉回到2012年，入暑的湖南異常悶熱。
黃三文課題組在湖南農(nóng)科院的試驗田里種了20畝黃瓜，共6萬多株。
能否從中找到不苦的黃瓜植株，從而發(fā)現(xiàn)苦味基因的突變體？師生們決定采用最原始的“化學(xué)分析儀器”——舌頭，把每株黃瓜的葉子都嘗個遍。而為了避免錯覺，每株黃瓜都由3個人共同判斷。
“這是一項非常艱巨的工程，有可能什么都發(fā)現(xiàn)不了?！秉S三文說。
那次，他們在6萬多株黃瓜中找到兩個突變體，這成為后來取得突破的關(guān)鍵。
基因調(diào)控找到苦味“開關(guān)”
從傳統(tǒng)育種向全基因組設(shè)計育種跨越，是此次“黃瓜苦味合成、調(diào)控以及馴化分子機(jī)制研究”帶給業(yè)界最大的興奮點(diǎn)。然而，一直以來，業(yè)界對于基因組學(xué)既飽含期待，也充滿困惑：基因組測序耗資頗大，能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來什么好處？
次生代謝基因成簇分布，是當(dāng)前植物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。“次生代謝產(chǎn)物大多是苦的，是植物用來抵抗病蟲害的武器，但其調(diào)控機(jī)制一直不清楚?！秉S三文介紹說。
5年前，科學(xué)家在分析基因組序列時發(fā)現(xiàn)，黃瓜6號染色體中一個由5個基因組成的基因簇可能參與苦味合成。2012年，他們通過變異組圖譜，發(fā)現(xiàn)控制果實(shí)苦味的Bt基因是黃瓜馴化的關(guān)鍵基因。
此次取得的最新成果則找到了9個控制黃瓜苦味代謝的基因，并發(fā)現(xiàn)有兩個“主開關(guān)”基因直接控制苦味代謝。換句話說，通過精確調(diào)節(jié)果實(shí)和葉子中這兩個“開關(guān)”的表達(dá)模式，可使黃瓜葉苦而瓜不苦。
無苦味黃瓜分子育種方案，正是將基因組大數(shù)據(jù)與分子生物學(xué)、生物化學(xué)方法融合，試圖解決黃瓜生產(chǎn)中的這一世界性難題。
“What a tour de force！”在給黃三文的郵件中，德國馬普學(xué)會發(fā)育生物學(xué)研究所所長Detlef Weigel稱贊該成果是一項“杰作”。
“基于此延伸研究，確實(shí)有‘主開關(guān)’調(diào)控次生代謝基因簇，這是植物科學(xué)的一個重要發(fā)現(xiàn)?！秉S三文透露，協(xié)和醫(yī)學(xué)院等相關(guān)團(tuán)隊正利用這些成果，進(jìn)一步研究葫蘆素c的抗癌機(jī)理，并嘗試在酵母里生產(chǎn)葫蘆素c。
協(xié)同創(chuàng)新獲突破
此次收獲“蔬菜基因組學(xué)的果實(shí)”，對中國農(nóng)科院而言并非偶然。
我國是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國，蔬菜產(chǎn)業(yè)GDP達(dá)12000億元，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜周年均衡供應(yīng)。但與美國、荷蘭、以色列等國相比，我國蔬菜育種水平差距仍然很大。
2004年，黃三文應(yīng)時任中國農(nóng)科院副院長屈冬玉邀請，放棄在英國攻讀博士后的機(jī)會，回國從事蔬菜基因組研究。
2007年，中國農(nóng)科院蔬菜所所長杜永臣決心自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)起國際黃瓜基因組計劃，黃三文擔(dān)任首席科學(xué)家。如何通過基因組等大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)研究，解決“黃瓜的苦味從哪里來”等生產(chǎn)性難題，貫穿了我國蔬菜基因組研究的全過程。
借助新一代DNA測序技術(shù)，兩年后他們解讀了世界上第一個蔬菜作物基因組，并以封面文章形式發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》雜志上。這是我國園藝科學(xué)界首次在國際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文。
黃瓜調(diào)控開關(guān)的發(fā)現(xiàn)，背后是一個由10家單位構(gòu)成的國內(nèi)外合作網(wǎng)絡(luò)。黃三文的團(tuán)隊則主要由“80后”“90后”組成，研究領(lǐng)域涉及生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)等，是一支典型的跨學(xué)科團(tuán)隊。
“如何將大數(shù)據(jù)用于生物學(xué)研究，需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨國界的協(xié)同創(chuàng)新。”黃三文表示。
《中國科學(xué)報》 (2014-12-04 第1版 要聞)
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