从基因组到新品种 一根黄瓜也能“顶天立地”

部分获奖团队成员获得2018年国家自然科学奖二等奖和科技进步奖二等奖

2018年国家科技进步奖二等奖获得者顾(右三)等。

黄瓜的驯化

中农26号(蔬菜供应图)

1月8日是2018年全国科学技术奖励大会的日期。

清晨，黄三文和顾在进入人民大会堂参加大会前合影留念，成为他们科研友谊的见证。

他们来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所(以下简称蔬菜研究所)，也研究黄瓜。同年，他们分别获得国家自然科学二等奖和国家科学技术进步奖二等奖。

他们带领各自的团队，在科学研究中合作寻找黄瓜基因组的“核心”，从而指导黄瓜分子育种，创造了可观的经济效益和社会效益。

在过去十年左右的时间里，黄瓜科学研究真正实现了从基因组到新品种的“不屈不挠”和“脚踏实地”。

为了让黄瓜尝起来像黄瓜

“黄瓜尝起来不像黄瓜！”"西红柿越来越弱了。"蔬菜质量已成为人们普遍关注的话题，也是我国蔬菜研究工作者的方向。

但是在黄瓜基因组被解码之前，没有人知道蔬菜基因组是什么样的。“基础研究相对薄弱，导致蔬菜良种培育进展缓慢，无法进行分子育种。”黄三文告诉《中国科学》。

黄瓜是葫芦科的模式种，只有3亿个碱基对，是蔬菜中最少的。同时，黄瓜是五大蔬菜之一，也是第一种设施蔬菜。

然而，在本世纪初，中国单位面积黄瓜产量水平与荷兰等发达国家相比还有很大差距。一些黄瓜品种在不利的生长条件下容易受害，严重影响商品价值。此外，消费者对外观、风味质量和品种多样性的要求越来越高。

要解决黄瓜生产中的主要问题，迫切需要创新黄瓜育种的理论和技术体系黄三文说。

然而，国内外对黄瓜遗传育种的研究一直落后于番茄、甘蓝等主要蔬菜作物。在黄三文和顾提出开展黄瓜联合研究之前，还没有完整的黄瓜分子标记遗传图谱。最好的遗传图谱只有200多个分子标记，大多数是不可移植的标记，如AFLP，连锁群的数量大于染色体的数量，不能有效覆盖整个基因组。这严重限制了黄瓜遗传育种的研究。

"限制黄瓜遗传育种研究的结构性障碍是其非常狭窄的遗传背景."顾在接受《中国科学报》采访时表示，黄瓜是唯一一个有7个单倍体染色体的甜瓜品种(其他品种都是12个)，基本上不能通过有性杂交与同一属的其他品种进行交流。

由于遗传背景狭窄，常规技术手段很难开发黄瓜标记，导致黄瓜遗传研究体系落后，严重制约了黄瓜生物学研究和分子设计育种的发展。

从2005年到2006年，新一代的基因测序技术如“454”和“Illumina”相继问世，使得以低成本和高效率对生物基因组进行测序成为可能，这是因为由于低效率、长时间消耗和高成本而对先前令人生畏的生物基因组测序进行了根本性的改变。

2006年底，黄三文、、顾等蔬菜研究所的专家提出利用下一代测序技术对黄瓜基因组进行测序。当时的蔬菜研究所所长杜·陈勇组织了几次党委会议和研究所学术委员会会议，进行专题研究。

最后决定，为了打破黄瓜分子遗传学研究的落后局面，提高黄瓜分子育种研究水平，促进我国其他蔬菜乃至园艺作物分子育种技术的发展，蔬菜已自筹资金1000多万元，并采用新的测序技术对黄瓜基因组进行测序。

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

解读基因组秘密

"我们的工作相互支持。"黄三文的团队研究员张中华告诉《中国科学日报》，自项目启动以来，这两个团队的工作一直紧密联系在一起。

基于黄三文的团队，蔬菜研究所的研究人员抓住了新一代基因组测序技术的机会，破解了第一种蔬菜作物黄瓜的遗传密码。在此基础上，研究了世界主要黄瓜资源的全基因组遗传变异。

他们证实黄瓜起源于印度，经过人类驯化和选择后成为受欢迎的蔬菜。后来它们传播到不同的地区，形成了三种主要类型:欧亚黄瓜、东亚黄瓜和西双版纳黄瓜。东亚黄瓜与印度黄瓜的分离历时2000多年，这与张谦出使西域将这种广受欢迎的蔬菜带到中国的历史事实是一致的。

从2009年到2013年，上述研究成果相继发表在《自然遗传学》和《美国科学院院刊》等国际*期刊上。

顾表示，这些成果为发现黄瓜主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选育和利用提供了理论框架。在此基础上，他们克隆并定位了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。

2014年，他们在《科学》杂志上宣布，他们发现了控制水果数量和苦味形成的关键基因，以应对黄瓜产量低和华南型黄瓜偶尔出现的苦味。

黄三文介绍说，只有雌花才能发育成商品黄瓜。他们发现M基因可以控制雌花的形成。m基因是黄瓜中第一个被证实具有功能的重要农艺性状基因。结合基因作用途径，开发了一种提高雌花率的基因标记，用于辅助黄瓜高产育种。

此外，黄瓜中葫芦素C的合成会导致苦味。他们发现了控制黄瓜苦味物质合成的9个基因，以及分别控制叶子和果实苦味物质合成的两个“开关”基因。

“打开和关闭水果，防止黄瓜变苦；打开树叶的开关，让它们变苦以抵御昆虫。”黄三文说，苦味物质的精确调控是植物中首次揭示代谢物的精确调控机制。

与此同时，顾的团队利用黄瓜基因组数据构建了世界上第一个包含10629个单核苷酸多态性的过饱和遗传图谱。首次发现苦味基因Bi-3和显性果皮光泽基因G，阐明了光泽、抗赤霉病、抗病毒病等性状的遗传规律。与21个性状如无苦味、光泽、抗疮痂病和抗病毒病密切相关的分子标记被开发出来。

此外，黄瓜基因组研究方法已广泛用于蔬菜作物如卷心菜、西瓜和番茄的基因组研究。在我国多个单位的共同努力下，在《自然》、《科学》和《细胞》等国际*期刊上发表了10多篇研究论文，使我国的植物基因组学学科处于世界领先地位。

分子育种进入“掘金时代”

长期以来，我国蔬菜生产中优质、多抗、高产黄瓜品种数量不足。

顾介绍，原主栽黄瓜品种柄长、颜色深、瓜条表面黄线、果肉发白、口感差，影响了果实的外观品质和食用品质。抗性较强和抗性较强的品种很少，导致不同年份的肥力不稳定。

黄瓜主要病害的鉴定方法没有统一的标准，影响了抗病性鉴定结果的准确性和可比性，降低了育种效率。

此外，在品质和抗病育种技术方面，仍采用常规育种方法，没有简单实用的分子标记，育种周期长，选择效率低，导致品种更新缓慢。

"基因组研究促进了黄瓜基因的‘黄金时代’。"黄三文这么说。自然奖获得者、湖南省蔬菜研究所研究员陈会明根据基因组研究成果，培育了“晏殊”系列等新品种，成功解决了南方黄瓜品种变苦、失去商业价值的生产难题。累计推广约100万亩，创造经济价值约80亿元，社会效益显著。

此外，顾是队的主力队员，并取得了几次重大的原始成绩。

顾团队的研究员告诉《中国科学日报》，他们花了十多年的时间收集、保存和系统评价了5637份种质，极大地丰富了中国的蔬菜种质资源库。

通过建立8项先进高效的抗病鉴定和品质评价技术，发掘出19项优质抗病资源，开发了疮痂病、病毒病等8种主要病害的抗病鉴定技术和瓜茎长、黄条等品质评价技术，并颁布了10项行业标准，为优良基因挖掘和优质多抗育种提供了种质基础。

谷还带领团队率先创制了12个高配合力自交系，聚合了5-6个无苦无光的优质基因和5-10个抗赤霉病和病毒性疾病的抗病基因，克服了优质抗病基因难以聚合的技术难题。"突破刺密不抗疮痂、果密不抗病毒的黄瓜育种瓶颈."顾对说道。

利用创制的优质多抗自交系，通过分子育种方法培育了8个新一代优质多抗品种，实现了紧凑型黄瓜优质多抗育种的突破。中农16号、中农26号等。，占辽宁、河北等重点保护黄瓜产区总面积的50%以上。中农106和中农18已成为广东、云南等7省的主要品种，占主产区的30%以上。

上述新品种已在全国27个省(市、区)推广，累计推广1187.9万亩，增加社会经济效益91.61亿元，其中近三年推广493.5万亩，增加社会经济效益36.97亿元。

“新品种的大规模推广不仅为农民脱贫致富做出了积极贡献；由于其多重抗性，使农药使用量减少了20%以上，促进了蔬菜产业的绿色发展，取得了显著的生态效益。”张生平说。

更重要的是，顾认为，这些成果推动了产业科技进步:分子标记多基因聚合育种技术的应用，使黄瓜常规育种和分子育种的结合发生了重大变化；培育的新品种的推广应用，为黄瓜品种在国内市场的主导地位做出了重要贡献。