黄三文小组解密黄瓜苦味“主开关”(蔬菜、基因、基因组)
■本报记者 黄明明
“无苦味黄瓜分子育种方案的提出，证明多年来对基因组学的持续投入终于对生产有了回报。”11月29日，中国农科院蔬菜花卉所研究员、深圳农业基因组所副所长黄三文，对外宣布了这项令植物学界为之振奋的成果。
“吃黄瓜快吃到瓜蒂时，往往会变得非常苦。这是因为老祖先的驯化并未完全解决黄瓜苦味问题，研究人员也一直没找到原因。”黄三文试图用最通俗的语言解释说，“5年来，我们终于找到了合成苦味物质葫芦素c的9个基因，也找到了调控黄瓜苦味的两个‘主开关’。”
11月28日出版的《科学》杂志以长篇论文形式发表了该成果。这也是近5年来《科学》《自然》和《自然—遗传学》杂志第8次报道黄三文团队的成果。
同时，这标志着经过数十年努力，我国蔬菜基因组学研究实现了从“跟跑”向“领跑”的转身。
“尝出来”的突变体
苦味是一个在黄瓜长期驯化过程中尚未解决的难题。
“造成黄瓜苦味的物质是葫芦素c，而叶片中的苦味有非常好的抗病虫性。让葫芦素c仅存于叶片中而不影响黄瓜口感，这个问题很难均衡。”黄三文介绍说，即使在目前黄瓜育种最领先的荷兰，也只能做到叶片不苦、果实也不苦，但黄瓜的抗病虫害能力会受到影响。
时光拉回到2012年，入暑的湖南异常闷热。
黄三文课题组在湖南农科院的试验田里种了20亩黄瓜，共6万多株。
能否从中找到不苦的黄瓜植株，从而发现苦味基因的突变体？师生们决定采用最原始的“化学分析仪器”——舌头，把每株黄瓜的叶子都尝个遍。而为了避免错觉，每株黄瓜都由3个人共同判断。
“这是一项非常艰巨的工程，有可能什么都发现不了。”黄三文说。
那次，他们在6万多株黄瓜中找到两个突变体，这成为后来取得突破的关键。
基因调控找到苦味“开关”
从传统育种向全基因组设计育种跨越，是此次“黄瓜苦味合成、调控以及驯化分子机制(Molecular Mechanisms)研究”带给业界最大的兴奋点。然而，一直以来，业界对于基因组学既饱含期待，也充满困惑：基因组测序耗资颇大，能给农业生产带来什么好处？
次生代谢基因成簇分布，是当前植物学研究领域的热点。“次生代谢产物大多是苦的，是植物用来抵抗病虫害的武器，但其调控机制一直不清楚。”黄三文介绍说。
5年前，研究人员在分析基因组序列时发现，黄瓜6号染色体中一个由5个基因组成的基因簇可能参与苦味合成。2012年，他们通过变异组图谱，发现控制果实苦味的Bt基因是黄瓜驯化的关键基因。
此次取得的最新成果则找到了9个控制黄瓜苦味代谢的基因，并发现有两个“主开关”基因直接控制苦味代谢。换句话说，通过精确调节果实和叶子中这两个“开关”的表达模式，可使黄瓜叶苦而瓜不苦。
无苦味黄瓜分子育种方案，正是将基因组大数据与分子生物学、生物化学方法融合，试图解决黄瓜生产中的这一世界性难题。
“What a tour de force！”在给黄三文的邮件中，德国马普学会发育生物学研究所所长Detlef Weigel称赞该成果是一项“杰作”。
“基于此延伸研究，确实有‘主开关’调控次生代谢基因簇，这是植物科学的一个重要发现。”黄三文透露，协和医学院等相关团队正利用这些成果，进一步研究葫芦素c的抗癌机理，并尝试在酵母里生产葫芦素c。
协同创新获突破
此次收获“蔬菜基因组学的果实”，对中国农科院而言并非偶然。
我国是蔬菜生产和消费大国，蔬菜产业GDP达12000亿元，基本实现了蔬菜周年均衡供应。但与美国、荷兰、以色列等国相比，我国蔬菜育种水平差距仍然很大。
2004年，黄三文应时任中国农科院副院长屈冬玉邀请，放弃在英国攻读博士后的机会，回国从事蔬菜基因组研究。
2007年，中国农科院蔬菜所所长杜永臣决心自筹经费发起国际黄瓜基因组计划(genome project)，黄三文担任首席研究人员。如何通过基因组等大数据的基础研究，解决“黄瓜的苦味从哪里来”等生产性难题，贯穿了我国蔬菜基因组研究的全过程。
借助新一代DNA测序技术，两年后他们解读了世界上第一个蔬菜作物基因组，并以封面文章形式发表在《自然—遗传学》杂志上。这是我国园艺科学界首次在国际高水平学术期刊发表论文。
黄瓜调控开关的发现，背后是一个由10家单位构成的国内外合作网络。黄三文的团队则主要由“80后”“90后”组成，研究领域涉及生物学、生物化学、生物信息(bioinformation)学等，是一支典型的跨学科团队。
“如何将大数据用于生物学研究，需要跨学科、跨领域、跨国界的协同创新。”黄三文表示。
《中国科学报》 (2014-12-04 第1版 要闻)
