黃三文｜科研工作者親嘗180000枚黃瓜葉片，終於破解黃瓜苦味謎題！
黃三文
研究員 博士生導師
中國農業科學院農業基因組研究所所長
國家農業基因組科技創新聯盟理事長
黃瓜——被「馴化」的野生草藥
黃瓜源自喜馬拉雅山脈南麓，本是印度境內土生土長的植物。黃瓜的祖先長相猙獰，它們荔枝大小，通體碧綠，像海膽一樣滿身是刺，果實極苦，輕咬一口就讓人腸胃盡空，原本在印度被作為草藥使用。經過一代又一代的挑選，那些個兒大、味甜、刺少的品種被廣泛種植，黃瓜果實和葉片都變大了，果實也失去了苦味，黃瓜逐漸從野生草藥被「馴化」為一種蔬菜，並逐漸傳到世界各地。
野生黃瓜
苦味——黃瓜自我防衛的武器
馴化其實就是一個人工選擇的過程。儘管對人類有利的特點得到了強化，「野性難馴」的黃瓜們還是在葉片中保留了祖先的苦味，這是黃瓜在進行自我防衛，苦味是植物防禦蟲害、保護自己的一種天然武器，為了保護果實不被動物們吃，好繁衍後代。研究發現，黃瓜的苦味是由葫蘆素引起的，極低量的葫蘆素就能引起明顯的苦味，比典型的苦味劑咖啡因還要苦100倍左右。
不抗蟲黃瓜與葉片苦抗蟲黃瓜
不抗蟲黃瓜與葉片苦抗蟲黃瓜
荷蘭育種家採用了「簡單粗暴」的方法——把黃瓜苦味物質葫蘆素C破壞掉，使整株黃瓜完全產生不了苦味，結果果實自然不苦了，但同時犧牲了葉片的抗蟲性。苦味在果實中的存在，不僅會影響蔬果的品質，也會影響農民的生產效益。如何更加精準調控苦味基因，讓它們在可食用部位不苦，在其他部位苦，從而既能保證果實品質，又能保證其仍具有防禦蟲害的能力，須從基因中找到黃瓜變苦的秘密開關。
黃瓜
尋找苦味開關 科研工作者親嘗18萬枚黃瓜苦葉片
味道的獲得和丟失，與植物中次生代謝產物在作物可食用部分的分布和積累密切相關。研究團隊致力於蔬菜作物基因組、變異組及轉錄組等大數據研究，探尋黃瓜苦味開關。
經過5年時間，科學家找到了合成苦味物質葫蘆素C的9個基因，這9個基因源源不斷地製造著苦味物質葫蘆素C，苦味的出現由兩個「主開關基因」控制。被馴化的黃瓜中，控制果實苦味的主開關常是關閉的，因而味道清爽，葉片苦味開關則開啟著，以抵禦蟲害。但生長條件一不如意，一些「任性」的黃瓜便把果實上的苦味開關打開，9個基因立即生產葫蘆素C，果實也就變苦了。找到葉片開關失靈的植株是進一步研究的關鍵。
黃瓜葉片
判斷黃瓜葉片苦不苦最簡單、最便捷的方式就是靠人去嘗，為提高準確性，3人一組同時品嘗，結果一致才能最終判定。科研工作者將60000株黃瓜，180000枚苦葉子逐一嘗下來，終於找到了兩株不苦的葉片，意味著這兩株黃瓜的葉片開關失靈，種子則被非常金貴地保存了起來。依靠這兩棵研究材料，團隊找到了控制黃瓜葉片苦味的開關，對照其結構和功能在果實中尋找，又「順藤摸瓜」地找到了控制黃瓜果實苦味的開關。
Bl和Bt基因 黃瓜苦味的主開關
研究團隊找到了控制黃瓜苦味合成和調控過程中的11個關鍵基因。其中9個基因負責苦味物質葫蘆素的合成，而另外的兩個基因Bl和Bt則被形象地命名為「主開關基因」，控制其它9個苦味合成基因表達與否，其中Bl基因負責控制葉片的苦味，Bt基因控制果實的苦味。如果能夠精確調節2個主開關基因的表達模式，就可以做到讓黃瓜果實中不積累苦味物質，保證黃瓜的商品品質，同時還可以提高葉片中的葫蘆素含量，用於抵禦害蟲的侵害，減少農藥使用。
葉苦、瓜不苦的新品種黃瓜
葫蘆素C，控制苦味，還能抗癌?
苦味可以被去除，當然也能被利用。研究發現癌細胞對葫蘆素C很敏感，同時控制血糖的效果也很明顯，隨著葫蘆素合成和調控機制的破解，利用「苦味」開發合成治癌藥物已成為可能。目前，科學家已經開始了葫蘆素C藥用價值的研發。
經歷千百年「馴化」的黃瓜或將被「反馴化」，用種植黃瓜與野生黃瓜進行雜交，果實就能又大又苦，彌補野生黃瓜太小不好入葯的缺陷。用於食用的也將是「超級黃瓜」，葉子能抗蟲，果實在任何條件下不會變苦。
采寫|李海燕 侯丹丹
專家介紹
黃三文研究員主要致力於利用組學大數據開拓植物生物學前沿並推動作物育種變革。他是國際蔬菜基因組研究領域的奠基人之一，擔任國際黃瓜基因組計劃的首席科學家和國際茄科基因組研究聯盟的共同主席。
組織和參與組織了黃瓜、馬鈴薯、番茄等重要作物的基因組測序，奠定了我國在這個領域的優勢地位(Nature Genetics 2009, 2011, 2013; Nature 2011, 2012)。系統收集和分析了3000多份黃瓜品系和600多份番茄品系，構建了黃瓜和番茄的變異組圖譜，闡明了這兩種作物馴化和分化的遺傳基礎，為種質資源的育種利用提供了理論框架(Nature Genetics 2013, 2014)。利用組學工具，揭示了黃瓜苦味生物合成和調控的分子機制，闡明了人工選擇對番茄果實代謝的影響並提出了番茄風味改良路線圖，為培育優質蔬菜品種提供了分子育種工具(Science 2014, 2017; Cell 2018)。共發表學術論文100餘篇，被SCI引用7000餘次，得到了Nature Review Genetics、Faculty of 1000等期刊和同行專家的高度評價，在植物基因組學和園藝學領域具有廣泛的國際影響。
2012年擔任國家「973」項目首席科學家，獲得國家傑出青年科學基金資助，入選「萬人計劃」。2016年獲得「周光召基金會」基礎科學獎。擔任Molecular Plant和JIPB等學術期刊的編委。
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