黃三文(左)在組織團隊品嘗黃瓜是否發(fā)苦
◇黃三文給自己的任務(wù),就是利用基因組技術(shù),為民眾培育更好吃、更安全、產(chǎn)量更高的蔬菜品種
◇“以前菜農(nóng)擔心黃瓜變苦了賣不出去,我們培育的黃瓜新品解決了這個問題?!?/p>
黃瓜,百姓餐桌上再普通不過的蔬菜。中國農(nóng)業(yè)科學院研究員黃三文在小小黃瓜中研究出了科學大問題,因之獲得2018年度國家自然科學獎二等獎。
黃三文是黃瓜基因組設(shè)計育種理論的提出者,也是獲獎項目——黃瓜基因組和重要農(nóng)藝性狀基因研究的第一完成人。黃瓜基因組是世界上首次破解的蔬菜基因組,成為植物進化和黃瓜遺傳育種的參照基因組,實現(xiàn)了我國蔬菜基因組學科從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的重大跨越。同時他們發(fā)現(xiàn)了黃瓜變苦的原因,培育出了無苦味的華南黃瓜新品種,開創(chuàng)了從基因組學基礎(chǔ)科研到新產(chǎn)品開發(fā)的組學利用新道路。
“項目從2007年開始,到現(xiàn)在獲獎,已經(jīng)十幾年了?!秉S三文感觸頗多,“研究成果能夠得到科研界同行們的認可,更重要的是能夠真正為農(nóng)民服務(wù),十多年來吃的苦我感覺很值得!”
破解黃瓜基因組
2004年,在荷蘭瓦赫寧根大學留學的黃三文放棄在英國攻讀博士后的機會,應(yīng)邀回國從事蔬菜基因組研究。在同事眼中,他是一個極富創(chuàng)新性的人,喜歡做別人不敢做的事。
2006年,農(nóng)科院蔬菜花卉研究所自籌經(jīng)費發(fā)起和組織了國際黃瓜基因組計劃,年僅35歲的黃三文成了首席科學家。獲獎項目第二完成人張忠華告訴記者,2006年立項時,黃三文就提出,不僅要在國內(nèi)把課題做到最好,幫助解決蔬菜生產(chǎn)中的實際問題,將來還要在國際上起引領(lǐng)作用。
說出這番豪言壯語之時,黃三文還只是黃瓜基因組研究領(lǐng)域的一個“新人”。
基因組研究是一個多學科交叉的大型項目,涉及生物學、生物化學、生物信息學等,極其復雜。當時全球還未破解出蔬菜作物的基因組遺傳密碼,黃瓜是開花植物中基因數(shù)目最少的,但也有23000多個基因,彼時基因組研究技術(shù)還比較原始,破解難度可想而知。
“困難很多,也有有利條件。當時人類基因組和水稻基因組圖譜破譯已完成,團隊可從中借鑒。基因組研究成本非常高,黃瓜的基因組小,可以節(jié)約成本?!秉S三文告訴《瞭望》新聞周刊記者,要想在科研上取得成績,就要有做大事的勇氣,有敢于迎接挑戰(zhàn)的決心。
“基因組研究里面有一個環(huán)節(jié)叫拼接,相當于拼圖。一般的拼圖有500塊、1000塊,就已經(jīng)很難拼了,我們的拼圖可能有上百萬塊到上千萬塊,把它們拼成一個完整的圖,非常困難。”
挑戰(zhàn)面前,黃三文召集相關(guān)方通力合作、協(xié)同創(chuàng)新——合作伙伴華大基因開發(fā)了拼接算法,為了輔助拼接,還聯(lián)合了中國農(nóng)業(yè)大學金危危教授進行細胞遺傳學方面的工作。經(jīng)過兩年多的努力,團隊終于解讀出了黃瓜的基因組,并以封面文章形式發(fā)表在《自然—遺傳學》雜志上。這是建國后我國園藝科學界首次在國際高水平學術(shù)期刊發(fā)表論文。該項目還帶動了其他蔬菜如馬鈴薯、白菜、番茄等的基因組研究。
不過這只是一個開始。吃黃瓜快吃到瓜蒂時,往往會變得非???,這是人類馴化黃瓜時一直未解的難題?!稗r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù),解析出黃瓜苦味基因,為老百姓生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品,最重要?!秉S三文說道,他給自己定的任務(wù)就是利用基因組技術(shù),提高蔬菜遺傳育種研究水平,培育更好吃、更安全、產(chǎn)量更高的品種。
從6萬株黃瓜中找到不苦的那株
2012年的夏天,黃三文團隊種了6萬多株黃瓜。為了找到苦味基因的突變體,黃三文試圖從這6萬株黃瓜中找到不苦的黃瓜植株。
“不苦的黃瓜中苦味基因是突變的。找到不苦的黃瓜植株,就能找出控制黃瓜苦味物質(zhì)合成的基因?!被乜催@一科研方向,黃三文無疑找到了一條正確的道路,但在當時,能否找出一株不苦的黃瓜,他也沒把握。
為此,黃三文和他的隊員遍嘗黃瓜葉子,“為了避免錯覺,吃一口黃瓜葉要漱一次口,每株黃瓜都由3個人共同判斷,相當于我們總共吃了18萬片葉子?!边B吃二十幾天的時候,團隊二十多人的舌頭都開始麻木了。
“做工作要全心全意投入,無論受到什么挫折和困難,都要堅持下去?!弊罱K,黃三文課題組和湖南農(nóng)科院蔬菜研究所陳惠明團隊一起把6萬株黃瓜葉子都嘗了個遍,找到了兩株葉片不苦的突變體,這成為后來研究取得突破的關(guān)鍵。
但隨后在解析苦味基因時,團隊只發(fā)現(xiàn)了控制苦味物質(zhì)合成的部分基因,其余的怎么也找不到。經(jīng)過長達半年的摸索和思維碰撞,最終用一種創(chuàng)造性的方法找全了9個控制苦味物質(zhì)合成的基因。
葉片中的苦味有非常好的抗病蟲性,如何讓苦味僅存于葉片中而不影響黃瓜自身的口感,卻難以辦到。團隊研究發(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,如何能把果實“開關(guān)”關(guān)上不讓黃瓜變苦,而把葉片“開關(guān)”打開讓葉片苦來抗蟲?這成了黃三文團隊攻關(guān)的關(guān)鍵。
“找到兩個苦味‘開關(guān)’基因就用了兩三年時間。做基礎(chǔ)研究需要投入巨大的精力和熱情,只有真愛才能干下去。”在黃三文帶領(lǐng)下,已成長為農(nóng)科院蔬菜研究所創(chuàng)新團隊首席科學家的張忠華感慨道。
苦盡甘來,黃三文聯(lián)合陳惠明團隊培育的黃瓜新品種,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。2018年湖北省李埠鎮(zhèn)種植了5000畝黃瓜新品種,有了近1億元的收成。黃三文受邀參加了采收節(jié),“以前菜農(nóng)擔心黃瓜變苦賣不出去,我們培育的黃瓜新品解決了這個問題。感到很欣慰,這也是我們將來持續(xù)研究的動力?!?/p>
培養(yǎng)農(nóng)業(yè)科研“三能”隊伍
2006年,作為國內(nèi)第一批生物信息學博士生,張忠華從浙江大學畢業(yè)。彼時,黃三文正在組建蔬菜基因組學研究團隊。
“為了‘誘騙’張忠華參加項目,我給他買了火車軟臥請他來中國農(nóng)科院面試。”黃三文笑道。如何組織一支精銳的人才隊伍,協(xié)調(diào)一個多學科交叉的團隊,這是他作為項目組織者要解決的首要難題。團隊中僅黃瓜基因組論文的作者就有100名。黃瓜苦味“開關(guān)”基因的發(fā)現(xiàn),背后是一個由10家單位構(gòu)成的國內(nèi)外合作網(wǎng)絡(luò)。如何協(xié)調(diào)規(guī)模如此龐大的隊伍,考驗著團隊組織者的能力。
“黃老師會把團隊大方向把握得很好,在大事上發(fā)揮掌舵人的作用,又很信任團隊成員,讓我們尤其是年輕人發(fā)揮自身特點去闖去試,并根據(jù)團隊成員的特點來激勵?!眻F隊成員尚軼評價道。
已任中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所所長的黃三文認為,農(nóng)業(yè)科研團隊要具備三個技能:第一,能下地、接地氣,熟悉研究的作物,了解生產(chǎn)中的問題;第二,能在實驗室做實驗,新技術(shù)的應(yīng)用對科學研究十分重要;第三,能利用計算機分析基因組大數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)規(guī)律性內(nèi)容。
如今,他正帶隊開展另一項科研攻關(guān)——力爭恢復番茄原來的濃郁風味。黃三文聯(lián)合美國學者已開展了5年多的協(xié)同攻關(guān)。團隊從嚼黃瓜葉改成了吃番茄,對幾百種番茄進行了多次品嘗實驗。通過基因組測序和生物信息學分析,獲得了控制風味的約50個基因位點,首次闡明了番茄風味的遺傳基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果已于2017年在《科學》雜志上以封面文章的形式發(fā)表?!拔覀儸F(xiàn)在正在利用基因組學知識改良番茄風味,5年之內(nèi)將推出新品種?!秉S三文自信地說。