一根黃瓜為何獲得兩項大獎

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)獎勵大會上，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”兩個項目，分別獲得國家自然科學(xué)二等獎和國家科技進步二等獎——一根黃瓜一鳴驚人，一舉獲得兩項國家獎

1.揭示黃瓜“身世”

黃瓜在2000多年前來到中國，2009年，研究團隊破譯了黃瓜的基因組遺傳密碼——黃瓜由此成為全球首個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隊的研究成果，為這一歷史事件提供了有力的科學(xué)依據(jù)。2009年，團隊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被破解基因密碼的蔬菜作物。

研究人員發(fā)現(xiàn)，黃瓜共計有2.3萬多個基因，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間約為2000年，這與《本草綱目》中記載的史實驚人地相符?！秉S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?！包S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?！秉S三文介紹，黃瓜是甜瓜屬的66個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)計育種才有可能實現(xiàn)?！秉S三文說。

多年來，研究團隊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框架和工具平臺，還推動了我國蔬菜基礎(chǔ)生物學(xué)，以及植物代謝調(diào)控研究進入國際先進水平，實現(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)”

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

如今，我們所吃的黃瓜香脆可口，略帶甘甜。而實際上，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，味道苦是因為缺水。這個說法合理嗎？

黃三文表示，這個結(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”。雖然它使得果實變苦，但同時也讓黃瓜的葉片變苦，從而有效防止害蟲的侵襲?！耙郧耙恍┌l(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)合成實際上存在兩個‘開關(guān)——一個控制果實，一個控制葉片。如果只將控制果實的開關(guān)關(guān)上，將控制葉片的打開，不就可以實現(xiàn)黃瓜不苦而且葉片抗蟲了嗎？”黃三文及團隊提出了這樣的設(shè)想。

事實證明，這個推理是正確的。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)了不苦基因和強雌基因分子標(biāo)記，通過分子育種培育了“蔬研2號”“蔬研5號”“蔬研12號”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值的生產(chǎn)難題。

3.實現(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，新增社會經(jīng)濟效益近百億元

什么樣的黃瓜品種才是好品種？

“優(yōu)質(zhì)、多抗、豐產(chǎn)?！敝袊r(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字概括了好黃瓜品種的特點。

自20世紀(jì)90年代起，顧興芳就帶領(lǐng)團隊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。他們通過對黃瓜進行抗病、抗逆、質(zhì)量性狀遺傳及其機理的探索和解析，進行了大量相關(guān)技術(shù)開發(fā)和試驗，為遺傳育種研究奠定了堅實的基礎(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。

而顧興芳團隊的工作人員需要為試驗田內(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處試驗田，團隊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)常是早上六七點上班，晚上六七點下班。尤其每年‘五一‘十一假期，正是授粉旺季，大家總是積極主動加班，頂烈日、冒酷暑，盡職盡責(zé)完成科研任務(wù)?！表椖拷M成員張圣平如是說。

在團隊數(shù)十年如一日的共同努力下，育成的8個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”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”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，團隊培育的新品種在27個省區(qū)市累計推廣1187.9萬畝，新增社會經(jīng)濟效益91.61億元。