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(nóng)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(nóng)業(yè)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(lǐng)團隊，又在科研上開展合作，搞清楚了黃瓜基因組的“內(nèi)核”，并借此指導(dǎo)黃瓜分子育種，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
十余年來，從基因組到新品種，黃瓜科研真正實現(xiàn)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(zhì)已經(jīng)成為老百姓關(guān)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，蔬菜基因組到底什么樣，沒有人知道。“基礎(chǔ)研究較為薄弱，導(dǎo)致蔬菜優(yōu)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3億個堿基對，是蔬菜中最少的。同時，在生產(chǎn)上，黃瓜是五大蔬菜之一，又是第一設(shè)施蔬菜。
然而，世紀之初，我國黃瓜單產(chǎn)水平和荷蘭等發(fā)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(fā)苦而嚴重影響商品價值。此外，消費者對外觀和風味品質(zhì)以及品種多樣性要求越來越高。
“要解決黃瓜生產(chǎn)中的主要問題，亟須創(chuàng)新黃瓜育種的理論和技術(shù)體系。”黃三文說。
但是，國內(nèi)外黃瓜遺傳育種研究一直落后于番茄、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(lián)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(shù)大于染色體數(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)的交流。
由于遺傳背景狹窄，通過常規(guī)的技術(shù)手段開發(fā)黃瓜標記非常困難，造成黃瓜遺傳研究體系落后，這嚴重制約了黃瓜生物學研究和分子設(shè)計育種開展。
2005年至2006年，“454”和“Illumina”等新一代基因測序技術(shù)先后問世，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(fā)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(nèi)的蔬菜所專家提出利用新一代測序技術(shù)進行黃瓜基因組測序的建議。蔬菜所時任所長杜永臣成先后多次組織召開黨委會和所學術(shù)委員會進行專題研究。
最后決定，為打破黃瓜分子遺傳研究落后的局面，提升黃瓜分子育種研究水平，并帶動我國其他蔬菜乃至園藝作物的分子育種技術(shù)發(fā)展，蔬菜所自籌千萬余元資金，利用新的測序技術(shù)進行黃瓜基因組測序。
測序工作2007年正式啟動后，又得到了原農(nóng)業(yè)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(lián)系在一起。
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(shù)出現(xiàn)的契機，破解了第一個蔬菜作物——黃瓜的基因組遺傳密碼。并以此為基礎(chǔ)，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(chǎn)于印度，經(jīng)過人類馴化選擇成為人們喜歡的蔬菜，后來傳播到不同地域，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，上述研究成果先后發(fā)表于《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(fā)現(xiàn)黃瓜重要農(nóng)藝性狀控制基因提供了重要的資源和信息，也為黃瓜種質(zhì)資源的育種利用提供了理論框架。以此為基礎(chǔ)，他們克隆和定位了50多個黃瓜農(nóng)藝性狀基因，推動黃瓜育種進入分子設(shè)計時代。
針對黃瓜單產(chǎn)較低和華南類型黃瓜偶有苦味的生產(chǎn)問題，2014年，他們在《科學》雜志上宣布發(fā)現(xiàn)控制果實數(shù)目和苦味形成的關(guān)鍵基因。
黃三文介紹，黃瓜只有雌花才能發(fā)育成商品瓜，他們發(fā)現(xiàn)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(nóng)藝性狀基因，結(jié)合該基因作用途徑開發(fā)了提高雌花率的基因標記，用于輔助選育高產(chǎn)黃瓜。
此外，黃瓜中的合成葫蘆素C導(dǎo)致果實變苦，他們發(fā)現(xiàn)了控制黃瓜苦味物質(zhì)合成的9個基因，并發(fā)現(xiàn)有兩個“開關(guān)”基因分別在葉片和果實中控制苦味物質(zhì)的合成。
“把果實‘開關(guān)’關(guān)上，不讓黃瓜變苦；把葉片‘開關(guān)’打開，讓葉片苦來抗蟲。”黃三文說，苦味物質(zhì)精確調(diào)控是植物中首次揭示代謝產(chǎn)物的精確調(diào)控機制。
與此同時，顧興芳團隊利用黃瓜基因組大數(shù)據(jù)，構(gòu)建了國際上第一張超飽和含有10629個SNP的遺傳圖譜；首次發(fā)現(xiàn)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(guī)律；開發(fā)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(yīng)用。在我國多個單位的同心協(xié)力下，在Nature、Science和Cell等國際頂尖期刊發(fā)表10多篇研究論文，帶動我國蔬菜基因組學科進入國際領(lǐng)先行列。
分子育種進入“掘金時代”
長期以來，我國蔬菜生產(chǎn)上品質(zhì)優(yōu)良、多抗和豐產(chǎn)性好的黃瓜品種數(shù)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(fā)白、口感差，影響了果實外觀品質(zhì)和食用品質(zhì)；多抗、高抗品種少，造成不同年份的豐產(chǎn)性不穩(wěn)定。
關(guān)于黃瓜主要病害抗病性鑒定方法，更是沒有形成統(tǒng)一標準，影響了抗病性鑒定結(jié)果的準確性及可比性，導(dǎo)致育種效率降低。
此外，在品質(zhì)和抗病育種技術(shù)上，仍沿用常規(guī)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(dǎo)致品種更新?lián)Q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于基因組研究結(jié)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(chǎn)難題。累計推廣約100萬畝，創(chuàng)造約80億元的經(jīng)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(chuàng)性成果。
顧興芳團隊研究員張圣平告訴《中國科學報》，他們花十幾年時間收集保存并系統(tǒng)評價了5637份種質(zhì)，極大豐富了我國蔬菜種質(zhì)資源庫。
通過創(chuàng)建8項先進高效的抗病性鑒定和品質(zhì)評價技術(shù)，團隊發(fā)掘出抗病優(yōu)質(zhì)資源19份，研制出黑星病、病毒病等8種主要病害的抗病鑒定技術(shù)和瓜把長度、黃色條紋等品質(zhì)評價技術(shù)，頒布行業(yè)標準10項，為優(yōu)異基因挖掘和優(yōu)質(zhì)多抗育種提供了種質(zhì)基礎(chǔ)。
顧興芳還帶領(lǐng)團隊率先創(chuàng)制出聚合無苦味、有光澤等5-6個優(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)和抗病基因難以聚合的技術(shù)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(chuàng)制的優(yōu)質(zhì)多抗自交系，他們通過分子育種手段，培育出新一代優(yōu)質(zhì)多抗新品種8個，實現(xiàn)了密刺型黃瓜優(yōu)質(zhì)多抗育種的突破。中農(nóng)16號、中農(nóng)26號等，占遼寧、河北等設(shè)施黃瓜主產(chǎn)區(qū)總面積的50%以上；中農(nóng)106號、中農(nóng)18號等，成為廣東、云南等7省區(qū)的主栽品種，占主產(chǎn)區(qū)的30%以上。
上述新品種在全國27個省（市、區(qū)）累計推廣1187.9萬畝，新增社會經(jīng)濟效益91.61億元，其中近三年推廣493.52萬畝，新增社會經(jīng)濟效益36.97億元。
“新品種的大面積推廣，不僅為農(nóng)民脫貧致富做出了積極貢獻；由于其多抗性質(zhì)，減少農(nóng)藥使用量20%以上，推動了蔬菜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展，生態(tài)效益顯著。”張圣平說。
更重要的是，顧興芳認為，這些成果推動了行業(yè)科技進步：分子標記多基因聚合育種技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了黃瓜常規(guī)育種與分子育種相結(jié)合的重大變革；育成新品種的推廣應(yīng)用，為我國黃瓜品種占本國市場主導(dǎo)地位做出了重要貢獻。
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