从基因组到新品种一根黄瓜也能“顶天立地”

　　1月8日是2018年度国家科技奖励大会召开的日子。

2018年度国家自然科学奖二等奖和科技进步奖二等奖获奖团队部分成员

黄瓜的驯化过程

　　清晨，黄三文和顾兴芳在进入人民大会堂参加大会之前合了一张影，成为他们科研友谊的见证。

　　他们同来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所（以下简称蔬菜所），同样研究黄瓜，在同一年分别获得国家自然科学奖二等奖和国家科技进步奖二等奖。

　　他们各自带领团队，又在科研上开展合作，搞清楚了黄瓜基因组的“内核”，并借此指导黄瓜分子育种，创造了可观的经济效益和社会效益。

　　十余年来，从基因组到新品种，黄瓜科研真正实现了“顶天”又“立地”。

　　为了让黄瓜有黄瓜味儿

　　“黄瓜没有黄瓜味啦！”“西红柿的味道越来越淡了。”蔬菜品质已经成为老百姓关心的话题，也是我国蔬菜科研工作者努力的方向。

　　但是在黄瓜基因组破译之前，蔬菜基因组到底什么样，没有人知道。“基础研究较为薄弱，导致蔬菜优良品种培育进程缓慢，分子育种无从开展。”黄三文告诉《中国科学报》。

　　黄瓜是葫芦科作物的模式物种，它仅有3亿个碱基对，是蔬菜中最少的。同时，在生产上，黄瓜是五大蔬菜之一，又是第一设施蔬菜。

　　然而，世纪之初，我国黄瓜单产水平和荷兰等发达国家相比仍有较大差距，一些黄瓜品种在不利生长条件下易发苦而严重影响商品价值。此外，消费者对外观和风味品质以及品种多样性要求越来越高。

　　“要解决黄瓜生产中的主要问题，亟须创新黄瓜育种的理论和技术体系。”黄三文说。

　　但是，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。在黄三文和顾兴芳等人提出对黄瓜开展联合研究之前，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AFLP 等不可移植的标记，且连锁群的个数大于染色体数目，不能有效地覆盖到全基因组，这严重限制了黄瓜遗传育种研究。

　　“制约黄瓜遗传育种研究的结构性障碍是其遗传背景非常狭窄。”顾兴芳告诉《中国科学报》，黄瓜是甜瓜属的66 个物种中唯一单倍体染色体数目为7 的物种（其它均为12），基本上无法通过有性杂交与同属的其它物种进行遗传物质的交流。

　　由于遗传背景狭窄，通过常规的技术手段开发黄瓜标记非常困难，造成黄瓜遗传研究体系落后，这严重制约了黄瓜生物学研究和分子设计育种开展。

　　 2005年至2006年，“454”和“Illumina”等新一代基因测序技术先后问世，使得以前因为效率低、耗时长、成本高而让人望而生畏的生物基因组测序发生了根本性的变化，低成本、高效率进行生物基因组测序成为了可能。

　　2006年底，包括黄三文、谢丙炎、顾兴芳等在内的蔬菜所专家提出利用新一代测序技术进行黄瓜基因组测序的建议。蔬菜所时任所长杜永臣成先后多次组织召开党委会和所学术委员会进行专题研究。

　　最后决定，为打破黄瓜分子遗传研究落后的局面，提升黄瓜分子育种研究水平，并带动我国其他蔬菜乃至园艺作物的分子育种技术发展，蔬菜所自筹千万余元资金，利用新的测序技术进行黄瓜基因组测序。

　　测序工作2007年正式启动后，又得到了原农业部、科技部和国家自然科学基金委员会的部分项目支持。

　　解读基因组秘密

　　“我们的工作相互支撑。”黄三文团队研究员张忠华告诉《中国科学报》，从项目启动伊始，两个团队的工作就紧密的联系在一起。

　　以黄三文团队为主，蔬菜所研究人员抓住新一代基因组测序技术出现的契机，破解了第一个蔬菜作物——黄瓜的基因组遗传密码。并以此为基础，研究了世界上主要黄瓜资源的全基因组遗传变异。

　　他们证实，黄瓜原产于印度，经过人类驯化选择成为人们喜欢的蔬菜，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。东亚黄瓜与印度黄瓜的分离时间是2000多年，与张骞出使西域给中国带来这个大众蔬菜的史实相吻合。

　　2009年到2013年，上述研究成果先后发表于《自然-遗传》和《美国科学院院刊》等国际顶级期刊上。

　　顾兴芳说，这些成果为发现黄瓜重要农艺性状控制基因提供了重要的资源和信息，也为黄瓜种质资源的育种利用提供了理论框架。以此为基础，他们克隆和定位了50多个黄瓜农艺性状基因，推动黄瓜育种进入分子设计时代。

　　针对黄瓜单产较低和华南类型黄瓜偶有苦味的生产问题，2014年，他们在《科学》杂志上宣布发现控制果实数目和苦味形成的关键基因。

　　黄三文介绍，黄瓜只有雌花才能发育成商品瓜，他们发现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，结合该基因作用途径开发了提高雌花率的基因标记，用于辅助选育高产黄瓜。

　　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。

　　“把果实‘开关’关上，不让黄瓜变苦；把叶片‘开关’打开，让叶片苦来抗虫。”黄三文说，苦味物质精确调控是植物中首次揭示代谢产物的精确调控机制。

　　与此同时，顾兴芳团队利用黄瓜基因组大数据，构建了国际上第一张超饱和含有10629个SNP的遗传图谱；首次发现了果实苦味基因Bi-3和显性果皮有光泽基因G，阐明了有光泽、抗黑星病、抗病毒病等性状的遗传规律；开发出与无苦味、有光泽、抗黑星病、抗病毒病等21个性状紧密连锁的分子标记。

　　不仅如此，黄瓜基因组研究方法体系在白菜、西瓜和番茄等蔬菜作物基因组研究中得到广泛应用。在我国多个单位的同心协力下，在Nature、Science和Cell等国际顶尖期刊发表10多篇研究论文，带动我国蔬菜基因组学科进入国际领先行列。

　　分子育种进入“掘金时代”

　　长期以来，我国蔬菜生产上品质优良、多抗和丰产性好的黄瓜品种数量不足。

　　顾兴芳介绍，黄瓜原有主栽品种瓜把长、瓜色暗、瓜条表面有黄线、果肉颜色发白、口感差，影响了果实外观品质和食用品质；多抗、高抗品种少，造成不同年份的丰产性不稳定。

　　关于黄瓜主要病害抗病性鉴定方法，更是没有形成统一标准，影响了抗病性鉴定结果的准确性及可比性，导致育种效率降低。

　　此外，在品质和抗病育种技术上，仍沿用常规育种手段，无简便且实用的分子标记可用，育种周期长，选择效率低，导致品种更新换代速度慢。

　　“基因组研究推动了黄瓜基因的‘掘金时代’。”黄三文如是说。自然奖获得者之一、湖南蔬菜研究所的陈惠明研究员基于基因组研究结果，培育了“蔬研”系列等新品种，成功解决了华南黄瓜品种变苦而丧失商品价值的生产难题。累计推广约100万亩，创造约80亿元的经济价值，取得了显著的社会效益。

　　此外，以顾兴芳团队为主，取得了几项重大原创性成果。

　　顾兴芳团队研究员张圣平告诉《中国科学报》，他们花十几年时间收集保存并系统评价了5637份种质，极大丰富了我国蔬菜种质资源库。

　　通过创建8项先进高效的抗病性鉴定和品质评价技术，团队发掘出抗病优质资源19份，研制出黑星病、病毒病等8种主要病害的抗病鉴定技术和瓜把长度、黄色条纹等品质评价技术，颁布行业标准10项，为优异基因挖掘和优质多抗育种提供了种质基础。

　　顾兴芳还带领团队率先创制出聚合无苦味、有光泽等5-6个优质基因和抗黑星病、病毒病等5-10个抗病基因的高配合力自交系12个，攻克了优质和抗病基因难以聚合的技术难题。“突破了密刺型黄瓜不抗黑星病、水果型黄瓜不抗病毒病的育种瓶颈。”顾兴芳说。

　　利用创制的优质多抗自交系，他们通过分子育种手段，培育出新一代优质多抗新品种8个，实现了密刺型黄瓜优质多抗育种的突破。中农16号、中农26号等，占辽宁、河北等设施黄瓜主产区总面积的50%以上；中农106号、中农18号等，成为广东、云南等7省区的主栽品种，占主产区的30%以上。

　　上述新品种在全国27个省（市、区）累计推广1187.9万亩，新增社会经济效益91.61亿元，其中近三年推广493.52万亩，新增社会经济效益36.97亿元。

　　“新品种的大面积推广，不仅为农民脱贫致富做出了积极贡献；由于其多抗性质，减少农药使用量20%以上，推动了蔬菜产业绿色发展，生态效益显著。”张圣平说。

　　更重要的是，顾兴芳认为，这些成果推动了行业科技进步：分子标记多基因聚合育种技术的应用，实现了黄瓜常规育种与分子育种相结合的重大变革；育成新品种的推广应用，为我国黄瓜品种占本国市场主导地位做出了重要贡献。