黃瓜，百姓餐桌上再普通不過的蔬菜。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員黃三文在小小黃瓜中研究出了科學(xué)大問題，因之獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
黃三文是黃瓜基因組設(shè)計(jì)育種理論的提出者，也是獲獎(jiǎng)項(xiàng)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(jìn)化和黃瓜遺傳育種的參照基因組，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)蔬菜基因組學(xué)科從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的重大跨越。同時(shí)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(xué)基礎(chǔ)科研到新產(chǎn)品開發(fā)的組學(xué)利用新道路。
“項(xiàng)目從2007年開始，到現(xiàn)在獲獎(jiǎng)，已經(jīng)十幾年了。”黃三文感觸頗多，“研究成果能夠得到科研界同行們的認(rèn)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(xué)留學(xué)的黃三文放棄在英國(guó)攻讀博士后的機(jī)會(huì)，應(yīng)邀回國(guó)從事蔬菜基因組研究。在同事眼中，他是一個(gè)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(fèi)發(fā)起和組織了國(guó)際黃瓜基因組計(jì)劃，年僅35歲的黃三文成了首席科學(xué)家。獲獎(jiǎng)項(xiàng)目第二完成人張忠華告訴記者，2006年立項(xiàng)時(shí)，黃三文就提出,不僅要在國(guó)內(nèi)把課題做到最好，幫助解決蔬菜生產(chǎn)中的實(shí)際問題，將來還要在國(guó)際上起引領(lǐng)作用。
說出這番豪言壯語之時(shí)，黃三文還只是黃瓜基因組研究領(lǐng)域的一個(gè)“新人”。
基因組研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的大型項(xiàng)目，涉及生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)等，極其復(fù)雜。當(dāng)時(shí)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(gè)基因，彼時(shí)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(dāng)時(shí)人類基因組和水稻基因組圖譜破譯已完成，團(tuán)隊(duì)可從中借鑒?；蚪M研究成本非常高，黃瓜的基因組小，可以節(jié)約成本。”黃三文告訴《瞭望》新聞周刊記者，要想在科研上取得成績(jī)，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(gè)環(huán)節(jié)叫拼接，相當(dāng)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(gè)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)金危危教授進(jìn)行細(xì)胞遺傳學(xué)方面的工作。經(jīng)過兩年多的努力，團(tuán)隊(duì)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(xué)》雜志上。這是建國(guó)后我國(guó)園藝科學(xué)界首次在國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文。該項(xiàng)目還帶動(dòng)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(gè)開始。吃黃瓜快吃到瓜蒂時(shí)，往往會(huì)變得非常苦，這是人類馴化黃瓜時(shí)一直未解的難題。“農(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。”黃三文說道，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(tuán)隊(duì)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。”回看這一科研方向，黃三文無疑找到了一條正確的道路，但在當(dāng)時(shí)，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(duì)員遍嘗黃瓜葉子，“為了避免錯(cuò)覺，吃一口黃瓜葉要漱一次口，每株黃瓜都由3個(gè)人共同判斷，相當(dāng)于我們總共吃了18萬片葉子。”連吃二十幾天的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)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(jiān)持下去。”最終，黃三文課題組和湖南農(nóng)科院蔬菜研究所陳惠明團(tuán)隊(duì)一起把6萬株黃瓜葉子都嘗了個(gè)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(shí)，團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)達(dá)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(gè)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(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)“開關(guān)”基因，分別在葉片和果實(shí)中控制苦味物質(zhì)的合成，如何能把果實(shí)“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(tuán)隊(duì)攻關(guān)的關(guān)鍵。
“找到兩個(gè)苦味‘開關(guān)’基因就用了兩三年時(shí)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(zhǎng)為農(nóng)科院蔬菜研究所創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家的張忠華感慨道。
苦盡甘來，黃三文聯(lián)合陳惠明團(tuán)隊(duì)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(jià)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(dān)心黃瓜變苦賣不出去，我們培育的黃瓜新品解決了這個(gè)問題。感到很欣慰，這也是我們將來持續(xù)研究的動(dòng)力。”
培養(yǎng)農(nóng)業(yè)科研“三能”隊(duì)伍
2006年，作為國(guó)內(nèi)第一批生物信息學(xué)博士生，張忠華從浙江大學(xué)畢業(yè)。彼時(shí)，黃三文正在組建蔬菜基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。
“為了‘誘騙’張忠華參加項(xiàng)目，我給他買了火車軟臥請(qǐng)他來中國(guó)農(nóng)科院面試。”黃三文笑道。如何組織一支精銳的人才隊(duì)伍，協(xié)調(diào)一個(gè)多學(xué)科交叉的團(tuán)隊(duì)，這是他作為項(xiàng)目組織者要解決的首要難題。團(tuán)隊(duì)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(gè)由10家單位構(gòu)成的國(guó)內(nèi)外合作網(wǎng)絡(luò)。如何協(xié)調(diào)規(guī)模如此龐大的隊(duì)伍，考驗(yàn)著團(tuán)隊(duì)組織者的能力。
“黃老師會(huì)把團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)成員，讓我們尤其是年輕人發(fā)揮自身特點(diǎn)去闖去試，并根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的特點(diǎn)來激勵(lì)。”團(tuán)隊(duì)成員尚軼評(píng)價(jià)道。
已任中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所所長(zhǎng)的黃三文認(rèn)為，農(nóng)業(yè)科研團(tuán)隊(duì)要具備三個(gè)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(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)科學(xué)研究十分重要；第三，能利用計(jì)算機(jī)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(duì)開展另一項(xiàng)科研攻關(guān)——力爭(zhēng)恢復(fù)番茄原來的濃郁風(fēng)味。黃三文聯(lián)合美國(guó)學(xué)者已開展了5年多的協(xié)同攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)從嚼黃瓜葉改成了吃番茄，對(duì)幾百種番茄進(jìn)行了多次品嘗實(shí)驗(yàn)。通過基因組測(cè)序和生物信息學(xué)分析，獲得了控制風(fēng)味的約50個(gè)基因位點(diǎn)，首次闡明了番茄風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果已于2017年在《科學(xué)》雜志上以封面文章的形式發(fā)表。“我們現(xiàn)在正在利用基因組學(xué)知識(shí)改良番茄風(fēng)味，5年之內(nèi)將推出新品種。”黃三文自信地說。
