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[瞭望]他们尝了18万片黄瓜叶子

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黄三文(左)在组织团队品尝黄瓜是否发苦

 

  ◇黄三文给自己的任务,就是利用基因组技术,为民众培育更好吃、更安全、产量更高的蔬菜品种

  ◇“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。”

 

  黄瓜,百姓餐桌上再普通不过的蔬菜。中国农业科学院研究员黄三文在小小黄瓜中研究出了科学大问题,因之获得2018年度国家自然科学奖二等奖。

  黄三文是黄瓜基因组设计育种理论的提出者,也是获奖项目——黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究的第一完成人。黄瓜基因组是世界上首次破解的蔬菜基因组,成为植物进化和黄瓜遗传育种的参照基因组,实现了我国蔬菜基因组学科从“跟跑”到“领跑”的重大跨越。同时他们发现了黄瓜变苦的原因,培育出了无苦味的华南黄瓜新品种,开创了从基因组学基础科研到新产品开发的组学利用新道路。

  “项目从2007年开始,到现在获奖,已经十几年了。”黄三文感触颇多,“研究成果能够得到科研界同行们的认可,更重要的是能够真正为农民服务,十多年来吃的苦我感觉很值得!”

  破解黄瓜基因组

  2004年,在荷兰瓦赫宁根大学留学的黄三文放弃在英国攻读博士后的机会,应邀回国从事蔬菜基因组研究。在同事眼中,他是一个极富创新性的人,喜欢做别人不敢做的事。

  2006年,农科院蔬菜花卉研究所自筹经费发起和组织了国际黄瓜基因组计划,年仅35岁的黄三文成了首席科学家。获奖项目第二完成人张忠华告诉记者,2006年立项时,黄三文就提出,不仅要在国内把课题做到最好,帮助解决蔬菜生产中的实际问题,将来还要在国际上起引领作用。

  说出这番豪言壮语之时,黄三文还只是黄瓜基因组研究领域的一个“新人”。

  基因组研究是一个多学科交叉的大型项目,涉及生物学、生物化学、生物信息学等,极其复杂。当时全球还未破解出蔬菜作物的基因组遗传密码,黄瓜是开花植物中基因数目最少的,但也有23000多个基因,彼时基因组研究技术还比较原始,破解难度可想而知。

  “困难很多,也有有利条件。当时人类基因组和水稻基因组图谱破译已完成,团队可从中借鉴。基因组研究成本非常高,黄瓜的基因组小,可以节约成本。”黄三文告诉《瞭望》新闻周刊记者,要想在科研上取得成绩,就要有做大事的勇气,有敢于迎接挑战的决心。

  “基因组研究里面有一个环节叫拼接,相当于拼图。一般的拼图有500块、1000块,就已经很难拼了,我们的拼图可能有上百万块到上千万块,把它们拼成一个完整的图,非常困难。”

  挑战面前,黄三文召集相关方通力合作、协同创新——合作伙伴华大基因开发了拼接算法,为了辅助拼接,还联合了中国农业大学金危危教授进行细胞遗传学方面的工作。经过两年多的努力,团队终于解读出了黄瓜的基因组,并以封面文章形式发表在《自然—遗传学》杂志上。这是建国后我国园艺科学界首次在国际高水平学术期刊发表论文。该项目还带动了其他蔬菜如马铃薯、白菜、番茄等的基因组研究。

  不过这只是一个开始。吃黄瓜快吃到瓜蒂时,往往会变得非常苦,这是人类驯化黄瓜时一直未解的难题。“农业基础研究要为农业生产服务,解析出黄瓜苦味基因,为老百姓生产出优质农产品,最重要。”黄三文说道,他给自己定的任务就是利用基因组技术,提高蔬菜遗传育种研究水平,培育更好吃、更安全、产量更高的品种。

  从6万株黄瓜中找到不苦的那株

  2012年的夏天,黄三文团队种了6万多株黄瓜。为了找到苦味基因的突变体,黄三文试图从这6万株黄瓜中找到不苦的黄瓜植株。

  “不苦的黄瓜中苦味基因是突变的。找到不苦的黄瓜植株,就能找出控制黄瓜苦味物质合成的基因。”回看这一科研方向,黄三文无疑找到了一条正确的道路,但在当时,能否找出一株不苦的黄瓜,他也没把握。

  为此,黄三文和他的队员遍尝黄瓜叶子,“为了避免错觉,吃一口黄瓜叶要漱一次口,每株黄瓜都由3个人共同判断,相当于我们总共吃了18万片叶子。”连吃二十几天的时候,团队二十多人的舌头都开始麻木了。

  “做工作要全心全意投入,无论受到什么挫折和困难,都要坚持下去。”最终,黄三文课题组和湖南农科院蔬菜研究所陈惠明团队一起把6万株黄瓜叶子都尝了个遍,找到了两株叶片不苦的突变体,这成为后来研究取得突破的关键。

  但随后在解析苦味基因时,团队只发现了控制苦味物质合成的部分基因,其余的怎么也找不到。经过长达半年的摸索和思维碰撞,最终用一种创造性的方法找全了9个控制苦味物质合成的基因。

  叶片中的苦味有非常好的抗病虫性,如何让苦味仅存于叶片中而不影响黄瓜自身的口感,却难以办到。团队研究发现,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,如何能把果实“开关”关上不让黄瓜变苦,而把叶片“开关”打开让叶片苦来抗虫?这成了黄三文团队攻关的关键。

  “找到两个苦味‘开关’基因就用了两三年时间。做基础研究需要投入巨大的精力和热情,只有真爱才能干下去。”在黄三文带领下,已成长为农科院蔬菜研究所创新团队首席科学家的张忠华感慨道。

  苦尽甘来,黄三文联合陈惠明团队培育的黄瓜新品种,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。2018年湖北省李埠镇种植了5000亩黄瓜新品种,有了近1亿元的收成。黄三文受邀参加了采收节,“以前菜农担心黄瓜变苦卖不出去,我们培育的黄瓜新品解决了这个问题。感到很欣慰,这也是我们将来持续研究的动力。”

  培养农业科研“三能”队伍

  2006年,作为国内第一批生物信息学博士生,张忠华从浙江大学毕业。彼时,黄三文正在组建蔬菜基因组学研究团队。

  “为了‘诱骗’张忠华参加项目,我给他买了火车软卧请他来中国农科院面试。”黄三文笑道。如何组织一支精锐的人才队伍,协调一个多学科交叉的团队,这是他作为项目组织者要解决的首要难题。团队中仅黄瓜基因组论文的作者就有100名。黄瓜苦味“开关”基因的发现,背后是一个由10家单位构成的国内外合作网络。如何协调规模如此庞大的队伍,考验着团队组织者的能力。

  “黄老师会把团队大方向把握得很好,在大事上发挥掌舵人的作用,又很信任团队成员,让我们尤其是年轻人发挥自身特点去闯去试,并根据团队成员的特点来激励。”团队成员尚轶评价道。

  已任中国农科院农业基因组研究所所长的黄三文认为,农业科研团队要具备三个技能:第一,能下地、接地气,熟悉研究的作物,了解生产中的问题;第二,能在实验室做实验,新技术的应用对科学研究十分重要;第三,能利用计算机分析基因组大数据,发现规律性内容。

  如今,他正带队开展另一项科研攻关——力争恢复番茄原来的浓郁风味。黄三文联合美国学者已开展了5年多的协同攻关。团队从嚼黄瓜叶改成了吃番茄,对几百种番茄进行了多次品尝实验。通过基因组测序和生物信息学分析,获得了控制风味的约50个基因位点,首次阐明了番茄风味的遗传基础。

  相关研究成果已于2017年在《科学》杂志上以封面文章的形式发表。“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。”黄三文自信地说。

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