黃三文：用大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)培育“你的菜”

黃三文（圖/中國(guó)科協(xié)網(wǎng)）

近日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》在線發(fā)表了“優(yōu)薯計(jì)劃”的最新研究成果。該研究成果由中國(guó)農(nóng)科院深圳基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)研究完成，提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組、最全面的馬鈴薯單體型比較分析，為馬鈴薯二倍體雜交種子早日誕生奠定了基礎(chǔ)。黃三文與農(nóng)業(yè)基因組研究的緣分從馬鈴薯開始，在破解黃瓜、西紅柿等基因組密碼，推動(dòng)蔬菜基礎(chǔ)研究進(jìn)入基因組時(shí)代后，馬鈴薯依舊是他最關(guān)心的作物。用雜交種子替代塊莖繁殖，把繁殖系數(shù)提高1000倍，這是黃三文一直在攀登的一座科學(xué)高峰。

基于多年的研究成果，黃三文先后獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、周光召基金會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)、何梁何利基金會(huì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。今年5月30日，黃三文被授予全國(guó)創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)。10月13日，他又被表彰為“深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)建立40周年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物和先進(jìn)模范人物”。

“我們所做的，不是為創(chuàng)新而創(chuàng)新。我們關(guān)注的是，怎么運(yùn)用農(nóng)業(yè)科技手段，讓老百姓吃上安全健康美味的蔬菜?！秉S三文表示，這些肯定激勵(lì)著他繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用組學(xué)大數(shù)據(jù)推動(dòng)作物育種變革。

立志從農(nóng)：從見證雜交水稻高產(chǎn)開始

1971年，黃三文出生于湖南省岳陽市，少年時(shí)期的他親眼看到自家地里種植的袁隆平培育的雜交水稻產(chǎn)量翻了一番。這在他的心中播下一顆農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的種子，促使他報(bào)考北京農(nóng)業(yè)大學(xué)（現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)），并成為一輩子與農(nóng)作物打交道的“農(nóng)科人”。

2000年，黃三文來到荷蘭瓦赫寧根大學(xué)攻讀博士學(xué)位，正式開始了蔬菜分子設(shè)計(jì)育種的科研旅程。

晚疫病是馬鈴薯第一大病害，瓦赫寧根大學(xué)當(dāng)時(shí)開展馬鈴薯抗病基因克隆研究已有10年，一直未取得顯著進(jìn)展。

通過深入思考，黃三文認(rèn)為失敗的主因是克隆基因的方法存在問題，建議采取更可靠的圖位克隆法。他的導(dǎo)師欣然采納，讓他放手去做。

沒有基因組圖譜，圖位克隆基因就是一項(xiàng)異常艱巨的工程。別的學(xué)生工作8小時(shí)，他每天至少工作12小時(shí)。周末是他最高興的時(shí)候——大家都休息了，他可以不被打擾地使用實(shí)驗(yàn)儀器了。

經(jīng)過長(zhǎng)期高強(qiáng)度的研究工作，黃三文與英國(guó)科學(xué)家合作建立了R3a-Avr3a基因互作系統(tǒng)，現(xiàn)已成為馬鈴薯晚疫病菌研究的模式體系。

大膽突破：推動(dòng)蔬菜研究進(jìn)入基因組時(shí)代

畢業(yè)歸國(guó)后，黃三文在中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所成立了功能基因組課題組，擔(dān)任課題組長(zhǎng)。課題組一成立就參與了荷蘭組織實(shí)施的國(guó)際馬鈴薯基因組計(jì)劃。

由于馬鈴薯測(cè)序材料是雜合二倍體，基因組比較復(fù)雜，構(gòu)建其物理圖譜非常困難。傳統(tǒng)Sanger測(cè)序技術(shù)價(jià)格昂貴，項(xiàng)目進(jìn)展不順，國(guó)際協(xié)作組士氣低落。

2006年，新一代測(cè)序技術(shù)NGS開始浮出水面，雖然尚無利用新技術(shù)對(duì)大基因組進(jìn)行從頭測(cè)序的先例，但黃三文敏銳地意識(shí)到，新一代NGS測(cè)序技術(shù)為蔬菜基因組計(jì)劃帶來的機(jī)會(huì)。

“與其干耗著，不如嘗試用新一代測(cè)序技術(shù)測(cè)一個(gè)新的物種?！?006年底，黃三文決定用NGS做一次嘗試，測(cè)序基因組較小的黃瓜。

兩年時(shí)間，黃三文團(tuán)隊(duì)完成了黃瓜基因組測(cè)序。這是國(guó)際上第一次用NGS測(cè)序技術(shù)完成的大基因組測(cè)序工作，也是第一篇蔬菜作物全基因組分析論文，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)園藝界在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文零的突破。

反觀馬鈴薯基因組計(jì)劃的緩慢進(jìn)展，黃三文下決心另辟蹊徑。

“直接測(cè)二倍體做不了，那做單倍體行不行？”黃三文團(tuán)隊(duì)采用全基因組鳥槍法測(cè)量和新一代測(cè)序技術(shù)，于2009年初完成了單倍體馬鈴薯全基因組序列圖的繪制，發(fā)現(xiàn)了一批與塊莖發(fā)育相關(guān)的基因。

2011年7月，《自然》雜志以封面論文發(fā)表了單倍體馬鈴薯基因組分析成果，被兩院院士評(píng)為2011年度“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

黃瓜和馬鈴薯項(xiàng)目積累的成功經(jīng)驗(yàn)，給予黃三文團(tuán)隊(duì)巨大的信心。隨后，黃三文推動(dòng)了白菜、番茄、西瓜等多種蔬菜基因組測(cè)序，推動(dòng)我國(guó)蔬菜基礎(chǔ)研究進(jìn)入原基因組學(xué)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了從“跟跑者”到“領(lǐng)跑者”的角色轉(zhuǎn)變。

頂天立地：引領(lǐng)基因組設(shè)計(jì)育種跨越

“基因組好比是一張地質(zhì)勘探圖。對(duì)農(nóng)業(yè)育種而言，基因組可以讓我們清晰地了解基因在進(jìn)化過程中的選擇、遺棄、變異情況，以及人類在品種培育中作出的努力?！秉S三文認(rèn)為，從事基因組研究，最終目的是為了培育擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種并應(yīng)用到實(shí)踐中。

如果說基礎(chǔ)研究是“頂天”，那么品種培育及產(chǎn)業(yè)開發(fā)就是“立地”。

從基因組走到品種培育的第一個(gè)作物是黃瓜。

115份黃瓜核心種質(zhì)重測(cè)序、100多個(gè)組織的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，構(gòu)建了黃瓜分子生物學(xué)研究的數(shù)據(jù)庫。隨后5年，團(tuán)隊(duì)20多個(gè)人，嘗了18萬多片黃瓜葉，終于找到了調(diào)控黃瓜苦味的11個(gè)基因。

黃三文（左一）和團(tuán)隊(duì)成員一起品嘗黃瓜（圖/ 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院)

“你愿意吃苦瓜，但你絕不愿意吃苦的黃瓜。”黃三文與湖南蔬菜所陳惠明研究員緊密合作，通過雜交選育那些苦味基因失效的材料，不苦黃瓜系列品種就這樣誕生了。該系列品種已在湖南、湖北、江西、浙江、福建、廣東等地累計(jì)推廣150余萬畝（1畝≈666.7平方米），創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益100多億元。

隨后，黃三文團(tuán)隊(duì)又合作培育出含糖量顯著提高的番茄新品種，并面向新疆喀什和廣西百色等地區(qū)積極開展“美味番茄”育種扶貧項(xiàng)目。

2017年，在原農(nóng)業(yè)部的支持下，“優(yōu)薯計(jì)劃”正式啟動(dòng)，深圳基因組研究所負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究，云南師范大學(xué)負(fù)責(zé)育種。2019年，他們解決了馬鈴薯自交不親和的難題，獲得了可直接用于育種的自交親和的馬鈴薯新材料，淘汰了自交衰退基因。截至目前，他們已培育出首個(gè)概念性雜交品種——“優(yōu)薯1號(hào)”。

“當(dāng)馬鈴薯完全用種子種植時(shí)，只需2克種子就能種出一畝地的馬鈴薯，不僅能避免薯塊種植易染病的問題，還能節(jié)約大量的土地資源和運(yùn)力資源?！秉S三文說。

“農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科研不能停留在紙上，發(fā)表論文不是終點(diǎn)而應(yīng)是起點(diǎn)。一定要把我們的研究與國(guó)家需求、地區(qū)發(fā)展及老百姓的需求結(jié)合起來?！秉S三文和他的團(tuán)隊(duì)一直在努力著。