一根黃瓜為何獲得兩項(xiàng)大獎(jiǎng)

常理

如何培育出好吃又高產(chǎn)的黃瓜，不僅老百姓關(guān)心，我國蔬菜科研工作者更關(guān)心。在不久前剛結(jié)束的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院“黃瓜基因組和重要農(nóng)藝性狀基因研究”，以及“黃瓜優(yōu)質(zhì)多抗種質(zhì)資源創(chuàng)制與新品種選育”兩個(gè)項(xiàng)目，分別獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)——一根黃瓜一鳴驚人，一舉獲得兩項(xiàng)國家獎(jiǎng)

1.揭示黃瓜“身世”

黃瓜在2000多年前來到中國，2009年，研究團(tuán)隊(duì)破譯了黃瓜的基因組遺傳密碼——黃瓜由此成為全球首個(gè)被破解基因密碼的蔬菜作物

黃瓜屬葫蘆科，原產(chǎn)于印度。最早的黃瓜呈圓形，外表長有黑刺，巨苦，無法食用。經(jīng)過長達(dá)3000多年的馴化，黃瓜最終變身成為人們喜愛的蔬菜。黃瓜來到中國是在2000多年前，據(jù)《本草綱目》記載，張騫出使西域并帶回了一種名為“胡瓜”的蔬菜，這就是我們今天的黃瓜。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員黃三文及團(tuán)隊(duì)的研究成果，為這一歷史事件提供了有力的科學(xué)依據(jù)。2009年，團(tuán)隊(duì)利用新一代基因組測序技術(shù)，破譯了黃瓜的基因組遺傳密碼，打開了探究瓜類作物多樣性和功能基因的大門，黃瓜也由此成為全球第一個(gè)被破解基因密碼的蔬菜作物。

研究人員發(fā)現(xiàn)，黃瓜共計(jì)有2.3萬多個(gè)基因，是目前已知開花植物中基因數(shù)目最少的。在數(shù)千年的馴化過程中，黃瓜種質(zhì)主要演變成4個(gè)類群：印度、西雙版納、歐亞和東亞類群。其中，印度類群包含野生變種和原始栽培群體，其他3個(gè)類群為栽培群體，是在印度經(jīng)過初步馴化后分別傳播到不同地區(qū)產(chǎn)生的。

“在仔細(xì)研究黃瓜基因組之后，我們發(fā)現(xiàn)，東亞類群與印度野生類群的分離時(shí)間約為2000年，這與《本草綱目》中記載的史實(shí)驚人地相符。”黃三文說。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過遺傳育種學(xué)來改良作物，提升其產(chǎn)量、品質(zhì)，是最為重要的科學(xué)手段之一。過去很長一段時(shí)期，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。“黃瓜一直沒有完整的分子標(biāo)記遺傳圖譜，最好的遺傳圖譜只有200多個(gè)分子標(biāo)記（大部分是不可移植的標(biāo)記），這嚴(yán)重限制了黃瓜遺傳育種研究。”黃三文介紹，黃瓜是甜瓜屬的66個(gè)物種中唯一單倍體染色體數(shù)目為7的物種（其他均為12），基本上無法通過有性雜交來與同屬的其他物種開展遺傳物質(zhì)交流——通過常規(guī)技術(shù)手段開發(fā)黃瓜標(biāo)記非常困難。

“因此，只有通過基因組學(xué)這一工具，才能系統(tǒng)研究種質(zhì)資源的遺傳變異，并建立重要農(nóng)藝性狀基因高效鑒定的體系，由此，黃瓜生物學(xué)研究才有可能深入，分子設(shè)計(jì)育種才有可能實(shí)現(xiàn)。”黃三文說。

多年來，研究團(tuán)隊(duì)在黃瓜基因組和染色體演化、種群遺傳變異規(guī)律以及重要農(nóng)藝性狀形成的分子機(jī)制等方面開展了系統(tǒng)研究。他們的成果不僅給黃瓜等葫蘆科作物基礎(chǔ)生物學(xué)以及分子育種研究提供了全新知識(shí)框架和工具平臺(tái)，還推動(dòng)了我國蔬菜基礎(chǔ)生物學(xué)，以及植物代謝調(diào)控研究進(jìn)入國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了我國蔬菜基因組學(xué)研究從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。

2.關(guān)上苦味“開關(guān)”

科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)了控制黃瓜苦味物質(zhì)合成的兩個(gè)“開關(guān)”——一個(gè)控制果實(shí)，一個(gè)控制葉片，由此揭示了植物次生代謝精確調(diào)控的新機(jī)制

如今，我們所吃的黃瓜香脆可口，略帶甘甜。而實(shí)際上，過去的黃瓜并不都是如此美味的。20世紀(jì)90年代以前，尤其在南方地區(qū)，人們經(jīng)常能吃到很苦的黃瓜。以前大家普遍認(rèn)為，味道苦是因?yàn)槿彼＿@個(gè)說法合理嗎？

黃三文表示，這個(gè)結(jié)論是對的，但缺水只是表面現(xiàn)象。更深層次的原因在于：黃瓜中能夠合成一種叫做“葫蘆素C”的物質(zhì)，它是導(dǎo)致果實(shí)變苦的“元兇”。而這種物質(zhì)只有在黃瓜遇到不利的生存環(huán)境下才會(huì)分泌，比如干旱、高溫、土壤鹽堿化，等等。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，葫蘆素C是一把“雙刃劍”。雖然它使得果實(shí)變苦，但同時(shí)也讓黃瓜的葉片變苦，從而有效防止害蟲的侵襲。“以前一些發(fā)達(dá)國家的做法是，將控制黃瓜分泌葫蘆素C的總開關(guān)關(guān)上。這樣的好處是黃瓜沒有了苦味，但壞處是無法抵御蟲害了。”黃三文說。

“而我們通過研究黃瓜的基因組，發(fā)現(xiàn)控制黃瓜苦味物質(zhì)合成實(shí)際上存在兩個(gè)‘開關(guān)——一個(gè)控制果實(shí)，一個(gè)控制葉片。如果只將控制果實(shí)的開關(guān)關(guān)上，將控制葉片的打開，不就可以實(shí)現(xiàn)黃瓜不苦而且葉片抗蟲了嗎？”黃三文及團(tuán)隊(duì)提出了這樣的設(shè)想。

事實(shí)證明，這個(gè)推理是正確的。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了植物次生代謝精確調(diào)控的新機(jī)制，也為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗蟲黃瓜新品種提供了分子育種方案。

據(jù)了解，該項(xiàng)目成員陳惠明研究員基于上述成果，開發(fā)了不苦基因和強(qiáng)雌基因分子標(biāo)記，通過分子育種培育了“蔬研2號(hào)”“蔬研5號(hào)”“蔬研12號(hào)”等黃瓜系列品種，成功解決了華南黃瓜品種變苦而喪失商品價(jià)值的生產(chǎn)難題。

3.實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)多抗豐產(chǎn)”

為將黃瓜科研成果落地、造福百姓，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院先后育成了8個(gè)不同生態(tài)型的新一代優(yōu)質(zhì)多抗黃瓜新品種，新增社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益近百億元

什么樣的黃瓜品種才是好品種？

“優(yōu)質(zhì)、多抗、豐產(chǎn)。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員顧興芳用簡短的幾個(gè)字概括了好黃瓜品種的特點(diǎn)。

自20世紀(jì)90年代起，顧興芳就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)把注意力放在黃瓜科研成果落地、造福百姓上。他們先后育成了8個(gè)不同生態(tài)型的新一代無苦味、有光澤、抗病毒病、黑星病等優(yōu)質(zhì)多抗黃瓜新品種，引領(lǐng)了密刺型黃瓜的高品質(zhì)育種方向，成為我國黃瓜品質(zhì)育種的標(biāo)桿。他們通過對黃瓜進(jìn)行抗病、抗逆、質(zhì)量性狀遺傳及其機(jī)理的探索和解析，進(jìn)行了大量相關(guān)技術(shù)開發(fā)和試驗(yàn)，為遺傳育種研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與十字花科、茄科等蔬菜作物相比較，葫蘆科蔬菜的生育周期短。以黃瓜為例，一年之中，黃瓜的播種茬口最多可以達(dá)到6次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于部分蔬菜的2次到3次。尤其在夏季，溫室大棚內(nèi)的溫度要比外面平均高8℃至10℃，酷熱難耐。

而顧興芳團(tuán)隊(duì)的工作人員需要為試驗(yàn)田內(nèi)十幾畝地的黃瓜逐一人工授粉、選種，觀察并記錄生長情況。蔬菜花卉所在北京有4處試驗(yàn)田，團(tuán)隊(duì)成員每周穿梭于各農(nóng)場，從早忙到晚。

“每年從4月份一直到11月份，經(jīng)常是早上六七點(diǎn)上班，晚上六七點(diǎn)下班。尤其每年‘五一‘十一假期，正是授粉旺季，大家總是積極主動(dòng)加班，頂烈日、冒酷暑，盡職盡責(zé)完成科研任務(wù)。”項(xiàng)目組成員張圣平如是說。

在團(tuán)隊(duì)數(shù)十年如一日的共同努力下，育成的8個(gè)黃瓜新品種商品性突出，符合百姓對高品質(zhì)黃瓜的需求，受到了消費(fèi)者青睞。而且，新品種不僅比原主栽品種平均增產(chǎn)10%以上，還在生產(chǎn)中減少農(nóng)藥使用量約20%。其中，“中農(nóng)16號(hào)”是北京、遼寧、黑龍江、天津、河北等省市的主栽品種，占北京市春秋大棚和露地黃瓜總種植面積的65%和55%;“中農(nóng)26號(hào)”則為遼寧省日光溫室種植面積最大的黃瓜品種，占瓦房店及錦州兩地日光溫室黃瓜種植面積的80%以上。

據(jù)顧興芳介紹，目前，團(tuán)隊(duì)培育的新品種在27個(gè)省區(qū)市累計(jì)推廣1187.9萬畝，新增社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益91.61億元。