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[中國科學(xué)報(bào)]解密黃瓜苦味“主開關(guān)”
收獲蔬菜基因組的“果實(shí)”
發(fā)布時(shí)間：2014-12-08
|來源： 《中國科學(xué)報(bào)》2014年12月04日 |作者：黃明明
“無苦味黃瓜分子育種方案的提出，證明多年來對(duì)基因組學(xué)的持續(xù)投入終于對(duì)生產(chǎn)有了回報(bào)。”11月29日，中國農(nóng)科院蔬菜花卉所研究員、深圳農(nóng)業(yè)基因組所副所長黃三文，對(duì)外宣布了這項(xiàng)令植物學(xué)界為之振奮的成果。
“吃黃瓜快吃到瓜蒂時(shí)，往往會(huì)變得非?？?。這是因?yàn)槔献嫦鹊鸟Z化并未完全解決黃瓜苦味問題，科學(xué)家也一直沒找到原因。”黃三文試圖用最通俗的語言解釋說，“5年來，我們終于找到了合成苦味物質(zhì)葫蘆素c的9個(gè)基因，也找到了調(diào)控黃瓜苦味的兩個(gè)‘主開關(guān)’。”
11月28日出版的《科學(xué)》雜志以長篇論文形式發(fā)表了該成果。這也是近5年來《科學(xué)》《自然》和《自然—遺傳學(xué)》雜志第8次報(bào)道黃三文團(tuán)隊(duì)的成果。
同時(shí)，這標(biāo)志著經(jīng)過數(shù)十年努力，我國蔬菜基因組學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)身。
“嘗出來”的突變體
苦味是一個(gè)在黃瓜長期馴化過程中尚未解決的難題。
“造成黃瓜苦味的物質(zhì)是葫蘆素c，而葉片中的苦味有非常好的抗病蟲性。讓葫蘆素c僅存于葉片中而不影響黃瓜口感，這個(gè)問題很難均衡。”黃三文介紹說，即使在目前黃瓜育種最領(lǐng)先的荷蘭，也只能做到葉片不苦、果實(shí)也不苦，但黃瓜的抗病蟲害能力會(huì)受到影響。
時(shí)光拉回到2012年，入暑的湖南異常悶熱。
黃三文課題組在湖南農(nóng)科院的試驗(yàn)田里種了20畝黃瓜，共6萬多株。
能否從中找到不苦的黃瓜植株，從而發(fā)現(xiàn)苦味基因的突變體？師生們決定采用最原始的“化學(xué)分析儀器”——舌頭，把每株黃瓜的葉子都嘗個(gè)遍。而為了避免錯(cuò)覺，每株黃瓜都由3個(gè)人共同判斷。
“這是一項(xiàng)非常艱巨的工程，有可能什么都發(fā)現(xiàn)不了。”黃三文說。
那次，他們?cè)?萬多株黃瓜中找到兩個(gè)突變體，這成為后來取得突破的關(guān)鍵。
基因調(diào)控找到苦味“開關(guān)”
從傳統(tǒng)育種向全基因組設(shè)計(jì)育種跨越，是此次“黃瓜苦味合成、調(diào)控以及馴化分子機(jī)制研究”帶給業(yè)界最大的興奮點(diǎn)。然而，一直以來，業(yè)界對(duì)于基因組學(xué)既飽含期待，也充滿困惑：基因組測(cè)序耗資頗大，能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來什么好處？
很多次生代謝產(chǎn)物是苦的，是植物用來抵抗病蟲害的武器。“次生代謝基因成簇分布，是當(dāng)前植物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但其調(diào)控機(jī)制一直不清楚。”黃三文介紹說。
5年前，科學(xué)家在分析基因組序列時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃瓜6號(hào)染色體中一個(gè)由5個(gè)基因組成的基因簇可能參與苦味合成。2012年，他們通過變異組圖譜，發(fā)現(xiàn)控制果實(shí)苦味的Bt基因是黃瓜馴化的關(guān)鍵基因。
此次取得的最新成果則找到了9個(gè)控制黃瓜苦味代謝的基因，并發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)“主開關(guān)”基因直接控制苦味代謝。換句話說，通過精確調(diào)節(jié)果實(shí)和葉子中這兩個(gè)“開關(guān)”的表達(dá)模式，可使黃瓜葉苦而瓜不苦。
無苦味黃瓜分子育種方案，正是將基因組大數(shù)據(jù)與分子生物學(xué)、生物化學(xué)方法融合，試圖解決黃瓜生產(chǎn)中的這一世界性難題。
“What a tour de force！”在給黃三文的郵件中，德國馬普學(xué)會(huì)發(fā)育生物學(xué)研究所所長Detlef Weigel稱贊該成果是一項(xiàng)“杰作”。
“基于此延伸研究，確實(shí)有‘主開關(guān)’調(diào)控次生代謝基因簇，這是植物科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。”黃三文透露，協(xié)和醫(yī)學(xué)院等相關(guān)團(tuán)隊(duì)正利用這些成果，進(jìn)一步研究葫蘆素c的抗癌機(jī)理，并嘗試在酵母里生產(chǎn)葫蘆素c。
協(xié)同創(chuàng)新獲突破
此次收獲“蔬菜基因組學(xué)的果實(shí)”，對(duì)中國農(nóng)科院而言并非偶然。
我國是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國，蔬菜產(chǎn)業(yè)GDP達(dá)12000億元，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜周年均衡供應(yīng)。但與美國、荷蘭、以色列等國相比，我國蔬菜育種水平差距仍然很大。
2004年，黃三文應(yīng)時(shí)任中國農(nóng)科院副院長屈冬玉邀請(qǐng)，放棄在英國攻讀博士后的機(jī)會(huì)，回國從事蔬菜基因組研究。
2007年，中國農(nóng)科院蔬菜所所長杜永臣決心自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)起國際黃瓜基因組計(jì)劃，黃三文擔(dān)任首席科學(xué)家。如何通過基因組等大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)研究，解決“黃瓜的苦味從哪里來”等生產(chǎn)性難題，貫穿了我國蔬菜基因組研究的全過程。
借助新一代DNA測(cè)序技術(shù)，兩年后他們解讀了世界上第一個(gè)蔬菜作物基因組，并以封面文章形式發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》雜志上。這是我國園藝科學(xué)界首次在國際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文。
黃瓜調(diào)控開關(guān)的發(fā)現(xiàn)，背后是一個(gè)由10家單位構(gòu)成的國內(nèi)外合作網(wǎng)絡(luò)。黃三文的團(tuán)隊(duì)則主要由“80后”“90后”組成，研究領(lǐng)域涉及生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)等，是一支典型的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。
“如何將大數(shù)據(jù)用于生物學(xué)研究，需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨國界的協(xié)同創(chuàng)新。”黃三文表示。
“吃黃瓜快吃到瓜蒂時(shí)，往往會(huì)變得非?？?。這是因?yàn)槔献嫦鹊鸟Z化并未完全解決黃瓜苦味問題，科學(xué)家也一直沒找到原因。”黃三文試圖用最通俗的語言解釋說，“5年來，我們終于找到了合成苦味物質(zhì)葫蘆素c的9個(gè)基因，也找到了調(diào)控黃瓜苦味的兩個(gè)‘主開關(guān)’。”
11月28日出版的《科學(xué)》雜志以長篇論文形式發(fā)表了該成果。這也是近5年來《科學(xué)》《自然》和《自然—遺傳學(xué)》雜志第8次報(bào)道黃三文團(tuán)隊(duì)的成果。
同時(shí)，這標(biāo)志著經(jīng)過數(shù)十年努力，我國蔬菜基因組學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)身。
“嘗出來”的突變體
苦味是一個(gè)在黃瓜長期馴化過程中尚未解決的難題。
“造成黃瓜苦味的物質(zhì)是葫蘆素c，而葉片中的苦味有非常好的抗病蟲性。讓葫蘆素c僅存于葉片中而不影響黃瓜口感，這個(gè)問題很難均衡。”黃三文介紹說，即使在目前黃瓜育種最領(lǐng)先的荷蘭，也只能做到葉片不苦、果實(shí)也不苦，但黃瓜的抗病蟲害能力會(huì)受到影響。
時(shí)光拉回到2012年，入暑的湖南異常悶熱。
黃三文課題組在湖南農(nóng)科院的試驗(yàn)田里種了20畝黃瓜，共6萬多株。
能否從中找到不苦的黃瓜植株，從而發(fā)現(xiàn)苦味基因的突變體？師生們決定采用最原始的“化學(xué)分析儀器”——舌頭，把每株黃瓜的葉子都嘗個(gè)遍。而為了避免錯(cuò)覺，每株黃瓜都由3個(gè)人共同判斷。
“這是一項(xiàng)非常艱巨的工程，有可能什么都發(fā)現(xiàn)不了。”黃三文說。
那次，他們?cè)?萬多株黃瓜中找到兩個(gè)突變體，這成為后來取得突破的關(guān)鍵。
基因調(diào)控找到苦味“開關(guān)”
從傳統(tǒng)育種向全基因組設(shè)計(jì)育種跨越，是此次“黃瓜苦味合成、調(diào)控以及馴化分子機(jī)制研究”帶給業(yè)界最大的興奮點(diǎn)。然而，一直以來，業(yè)界對(duì)于基因組學(xué)既飽含期待，也充滿困惑：基因組測(cè)序耗資頗大，能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來什么好處？
很多次生代謝產(chǎn)物是苦的，是植物用來抵抗病蟲害的武器。“次生代謝基因成簇分布，是當(dāng)前植物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但其調(diào)控機(jī)制一直不清楚。”黃三文介紹說。
5年前，科學(xué)家在分析基因組序列時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃瓜6號(hào)染色體中一個(gè)由5個(gè)基因組成的基因簇可能參與苦味合成。2012年，他們通過變異組圖譜，發(fā)現(xiàn)控制果實(shí)苦味的Bt基因是黃瓜馴化的關(guān)鍵基因。
此次取得的最新成果則找到了9個(gè)控制黃瓜苦味代謝的基因，并發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)“主開關(guān)”基因直接控制苦味代謝。換句話說，通過精確調(diào)節(jié)果實(shí)和葉子中這兩個(gè)“開關(guān)”的表達(dá)模式，可使黃瓜葉苦而瓜不苦。
無苦味黃瓜分子育種方案，正是將基因組大數(shù)據(jù)與分子生物學(xué)、生物化學(xué)方法融合，試圖解決黃瓜生產(chǎn)中的這一世界性難題。
“What a tour de force！”在給黃三文的郵件中，德國馬普學(xué)會(huì)發(fā)育生物學(xué)研究所所長Detlef Weigel稱贊該成果是一項(xiàng)“杰作”。
“基于此延伸研究，確實(shí)有‘主開關(guān)’調(diào)控次生代謝基因簇，這是植物科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。”黃三文透露，協(xié)和醫(yī)學(xué)院等相關(guān)團(tuán)隊(duì)正利用這些成果，進(jìn)一步研究葫蘆素c的抗癌機(jī)理，并嘗試在酵母里生產(chǎn)葫蘆素c。
協(xié)同創(chuàng)新獲突破
此次收獲“蔬菜基因組學(xué)的果實(shí)”，對(duì)中國農(nóng)科院而言并非偶然。
我國是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國，蔬菜產(chǎn)業(yè)GDP達(dá)12000億元，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜周年均衡供應(yīng)。但與美國、荷蘭、以色列等國相比，我國蔬菜育種水平差距仍然很大。
2004年，黃三文應(yīng)時(shí)任中國農(nóng)科院副院長屈冬玉邀請(qǐng)，放棄在英國攻讀博士后的機(jī)會(huì)，回國從事蔬菜基因組研究。
2007年，中國農(nóng)科院蔬菜所所長杜永臣決心自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)起國際黃瓜基因組計(jì)劃，黃三文擔(dān)任首席科學(xué)家。如何通過基因組等大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)研究，解決“黃瓜的苦味從哪里來”等生產(chǎn)性難題，貫穿了我國蔬菜基因組研究的全過程。
借助新一代DNA測(cè)序技術(shù)，兩年后他們解讀了世界上第一個(gè)蔬菜作物基因組，并以封面文章形式發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》雜志上。這是我國園藝科學(xué)界首次在國際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文。
黃瓜調(diào)控開關(guān)的發(fā)現(xiàn)，背后是一個(gè)由10家單位構(gòu)成的國內(nèi)外合作網(wǎng)絡(luò)。黃三文的團(tuán)隊(duì)則主要由“80后”“90后”組成，研究領(lǐng)域涉及生物學(xué)、生物化學(xué)、生物信息學(xué)等，是一支典型的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。
“如何將大數(shù)據(jù)用于生物學(xué)研究，需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨國界的協(xié)同創(chuàng)新。”黃三文表示。
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