從基因組到新品種 一根黃瓜也能「頂天立地」

2018年度國家自然科學獎二等獎和科技進步獎二等獎獲獎團隊部分成員

2018年度國家科技進步獎二等獎獲獎團隊顧興芳（右三）等

黃瓜的馴化歷程

中農26號（蔬菜所供圖）

1月8日是2018年度國家科技獎勵大會召開的日子。

清晨，黃三文和顧興芳在進入人民大會堂參加大會之前合了一張影，成為他們科研友誼的見證。

他們同來自中國農業科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所），同樣研究黃瓜，在同一年分別獲得國家自然科學獎二等獎和國家科技進步獎二等獎。

他們各自帶領團隊，又在科研上開展合作，搞清楚了黃瓜基因組的「內核」，並藉此指導黃瓜分子育種，創造了可觀的經濟效益和社會效益。

十餘年來，從基因組到新品種，黃瓜科研真正實現了「頂天」又「立地」。

為了讓黃瓜有黃瓜味兒

「黃瓜沒有黃瓜味啦！」「西紅柿的味道越來越淡了。」蔬菜品質已經成為老百姓關心的話題，也是我國蔬菜科研工作者努力的方向。

但是在黃瓜基因組破譯之前，蔬菜基因組到底什麼樣，沒有人知道。「基礎研究較為薄弱，導致蔬菜優良品種培育進程緩慢，分子育種無從開展。」黃三文告訴《中國科學報》。

黃瓜是葫蘆科作物的模式物種，它僅有3億個鹼基對，是蔬菜中最少的。同時，在生產上，黃瓜是五大蔬菜之一，又是第一設施蔬菜。

然而，世紀之初，我國黃瓜單產水平和荷蘭等發達國家相比仍有較大差距，一些黃瓜品種在不利生長條件下易發苦而嚴重影響商品價值。此外，消費者對外觀和風味品質以及品種多樣性要求越來越高。

「要解決黃瓜生產中的主要問題，亟須創新黃瓜育種的理論和技術體系。」黃三文說。

但是，國內外黃瓜遺傳育種研究一直落後於番茄、白菜等主要蔬菜作物。在黃三文和顧興芳等人提出對黃瓜開展聯合研究之前，黃瓜一直沒有完整的分子標記遺傳圖譜，最好的遺傳圖譜只有200 多個分子標記，大部分是AFLP 等不可移植的標記，且連鎖群的個數大於染色體數目，不能有效地覆蓋到全基因組，這嚴重限制了黃瓜遺傳育種研究。

「制約黃瓜遺傳育種研究的結構性障礙是其遺傳背景非常狹窄。」顧興芳告訴《中國科學報》，黃瓜是甜瓜屬的66 個物種中唯一單倍體染色體數目為7 的物種（其它均為12），基本上無法通過有性雜交與同屬的其它物種進行遺傳物質的交流。

由於遺傳背景狹窄，通過常規的技術手段開發黃瓜標記非常困難，造成黃瓜遺傳研究體系落後，這嚴重製約了黃瓜生物學研究和分子設計育種開展。

2005年至2006年，「454」和「Illumina」等新一代基因測序技術先後問世，使得以前因為效率低、耗時長、成本高而讓人望而生畏的生物基因組測序發生了根本性的變化，低成本、高效率進行生物基因組測序成為了可能。

2006年底，包括黃三文、謝丙炎、顧興芳等在內的蔬菜所專家提出利用新一代測序技術進行黃瓜基因組測序的建議。蔬菜所時任所長杜永臣成先後多次組織召開黨委會和所學術委員會進行專題研究。

最後決定，為打破黃瓜分子遺傳研究落後的局面，提升黃瓜分子育種研究水平，並帶動我國其他蔬菜乃至園藝作物的分子育種技術發展，蔬菜所自籌千萬餘元資金，利用新的測序技術進行黃瓜基因組測序。

測序工作2007年正式啟動後，又得到了原農業部、科技部和國家自然科學基金委員會的部分項目支持。

解讀基因組秘密

「我們的工作相互支撐。」黃三文團隊研究員張忠華告訴《中國科學報》，從項目啟動伊始，兩個團隊的工作就緊密的聯繫在一起。

以黃三文團隊為主，蔬菜所研究人員抓住新一代基因組測序技術出現的契機，破解了第一個蔬菜作物——黃瓜的基因組遺傳密碼。並以此為基礎，研究了世界上主要黃瓜資源的全基因組遺傳變異。

他們證實，黃瓜原產於印度，經過人類馴化選擇成為人們喜歡的蔬菜，後來傳播到不同地域，形成了三個主要類型：歐亞黃瓜、東亞黃瓜、西雙版納黃瓜。東亞黃瓜與印度黃瓜的分離時間是2000多年，與張騫出使西域給中國帶來這個大眾蔬菜的史實相吻合。

2009年到2013年，上述研究成果先後發表於《自然-遺傳》和《美國科學院院刊》等國際頂級期刊上。

顧興芳說，這些成果為發現黃瓜重要農藝性狀控制基因提供了重要的資源和信息，也為黃瓜種質資源的育種利用提供了理論框架。以此為基礎，他們克隆和定位了50多個黃瓜農藝性狀基因，推動黃瓜育種進入分子設計時代。

針對黃瓜單產較低和華南類型黃瓜偶有苦味的生產問題，2014年，他們在《科學》雜誌上宣布發現控制果實數目和苦味形成的關鍵基因。

黃三文介紹，黃瓜只有雌花才能發育成商品瓜，他們發現M基因能夠控制雌花的形成，M基因是黃瓜首個得到功能確證的重要農藝性狀基因，結合該基因作用途徑開發了提高雌花率的基因標記，用於輔助選育高產黃瓜。

此外，黃瓜中的合成葫蘆素C導致果實變苦，他們發現了控制黃瓜苦味物質合成的9個基因，並發現有兩個「開關」基因分別在葉片和果實中控制苦味物質的合成。

「把果實『開關』關上，不讓黃瓜變苦；把葉片『開關』打開，讓葉片苦來抗蟲。」黃三文說，苦味物質精確調控是植物中首次揭示代謝產物的精確調控機制。

與此同時，顧興芳團隊利用黃瓜基因組大數據，構建了國際上第一張超飽和含有10629個SNP的遺傳圖譜；首次發現了果實苦味基因Bi-3和顯性果皮有光澤基因G，闡明了有光澤、抗黑星病、抗病毒病等性狀的遺傳規律；開發出與無苦味、有光澤、抗黑星病、抗病毒病等21個性狀緊密連鎖的分子標記。

不僅如此，黃瓜基因組研究方法體系在白菜、西瓜和番茄等蔬菜作物基因組研究中得到廣泛應用。在我國多個單位的同心協力下，在Nature、Science和Cell等國際頂尖期刊發表10多篇研究論文，帶動我國蔬菜基因組學科進入國際領先行列。

分子育種進入「掘金時代」

長期以來，我國蔬菜生產上品質優良、多抗和豐產性好的黃瓜品種數量不足。

顧興芳介紹，黃瓜原有主栽品種瓜把長、瓜色暗、瓜條表面有黃線、果肉顏色發白、口感差，影響了果實外觀品質和食用品質；多抗、高抗品種少，造成不同年份的豐產性不穩定。

關於黃瓜主要病害抗病性鑒定方法，更是沒有形成統一標準，影響了抗病性鑒定結果的準確性及可比性，導致育種效率降低。

此外，在品質和抗病育種技術上，仍沿用常規育種手段，無簡便且實用的分子標記可用，育種周期長，選擇效率低，導致品種更新換代速度慢。

「基因組研究推動了黃瓜基因的『掘金時代』。」黃三文如是說。自然獎獲得者之一、湖南蔬菜研究所的陳惠明研究員基於基因組研究結果，培育了「蔬研」系列等新品種，成功解決了華南黃瓜品種變苦而喪失商品價值的生產難題。累計推廣約100萬畝，創造約80億元的經濟價值，取得了顯著的社會效益。

此外，以顧興芳團隊為主，取得了幾項重大原創性成果。

顧興芳團隊研究員張聖平告訴《中國科學報》，他們花十幾年時間收集保存並系統評價了5637份種質，極大豐富了我國蔬菜種質資源庫。

通過創建8項先進高效的抗病性鑒定和品質評價技術，團隊發掘出抗病優質資源19份，研製出黑星病、病毒病等8種主要病害的抗病鑒定技術和瓜把長度、黃色條紋等品質評價技術，頒布行業標準10項，為優異基因挖掘和優質多抗育種提供了種質基礎。

顧興芳還帶領團隊率先創製出聚合無苦味、有光澤等5-6個優質基因和抗黑星病、病毒病等5-10個抗病基因的高配合力自交系12個，攻克了優質和抗病基因難以聚合的技術難題。「突破了密刺型黃瓜不抗黑星病、水果型黃瓜不抗病毒病的育種瓶頸。」顧興芳說。

利用創製的優質多抗自交系，他們通過分子育種手段，培育出新一代優質多抗新品種8個，實現了密刺型黃瓜優質多抗育種的突破。中農16號、中農26號等，占遼寧、河北等設施黃瓜主產區總面積的50%以上；中農106號、中農18號等，成為廣東、雲南等7省區的主栽品種，佔主產區的30%以上。

上述新品種在全國27個省（市、區）累計推廣1187.9萬畝，新增社會經濟效益91.61億元，其中近三年推廣493.52萬畝，新增社會經濟效益36.97億元。

「新品種的大面積推廣，不僅為農民脫貧致富做出了積極貢獻；由於其多抗性質，減少農藥使用量20%以上，推動了蔬菜產業綠色發展，生態效益顯著。」張聖平說。

更重要的是，顧興芳認為，這些成果推動了行業科技進步：分子標記多基因聚合育種技術的應用，實現了黃瓜常規育種與分子育種相結合的重大變革；育成新品種的推廣應用，為我國黃瓜品種占本國市場主導地位做出了重要貢獻。

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