您现在的位置:首页 > 种植技术

甜蜜的基因
日期:2019-12-30作者:孙云柯来源:北京日报点击:

  许勇的办公室里,到处是“西瓜”:摆件、奖杯、书籍、论文……样样都与瓜有关。“同事们都说我长了个西瓜脑袋。”许勇呵呵地笑着,抬手摸了摸自己圆圆的大脑袋。

  “西瓜其实原本不甜。”许勇指了指桌上的瓜形摆件,滔滔不绝地说起来,“西瓜瓤原本是白色的,而且还挺苦……”

  西瓜是怎么变甜的?这个问题,许勇研究了20多年。

  坚持钻研,终有所获。许勇和团队找到了那个“甜蜜的基因”,不仅绘制了世界上第一张西瓜基因组序列图谱,还在今年“升级”图谱,完成进化驯化进程分子解析,第一次为人类描述了西瓜这个古老物种的进化历史。

  1

  跨越千年的“甜”秘

  数千年前,非洲大陆,广袤无垠,植被丰富。

  一种小小的瓜,生于野外,其貌不扬。一个口渴的原始人,偶然发现了它,砸开小瓜,抓起白色的瓜瓤,塞入口中……“呸!呸!”原始人恼怒地丢掉了瓜,滋味发苦,一点儿不好吃。

  此后,没人再触碰这种小瓜,它得以安静生长。

  时间,从不停止脚步;神奇的大自然,也不会解释自己的选择。偶然的一次自然选择,导致小瓜基因突变,悄悄地变甜了。

  又过了不知多少年,另一个口渴的原始人,发现了小瓜,砸开,汁水四溢,抓一把瓜瓤,放进嘴里,甜蜜可口……原始人很高兴,他多摘了几颗,准备种在自己的家里。

  在获取糖分异常困难的当时,甜蜜的小瓜迅速“流行”。随着人类的迁徙,小瓜走出非洲,传入苏丹、埃及、西域诸国……大约南宋时,小瓜来到了中国。因为来自西方,这种绿色的小瓜被中国人称为“西瓜”。

  那次偶然的自然选择,到底是如何进行的?今年,《自然·遗传学》上发表的一篇论文首次揭开了这一谜团。论文的通讯作者,是北京市农林科学院蔬菜研究中心许勇及其团队。

  “野生的西瓜之所以有苦味,其实是西瓜的自我保护。”许勇说,西瓜属葫芦科,有大量的葫芦素,这也是其苦味的来源。有甜味的食物一般都会吸引昆虫,容易造成病虫害,而野生西瓜的苦味,发挥一定预防病虫害的功能,有利于其生存繁衍。

  通过分析西瓜进化和驯化的过程,许勇和团队在基因组水平上证实了非洲苏丹地区西瓜与高糖栽培西瓜的祖先遗传关系最近。通过比对世界现存西瓜属全部7个种共414份代表性西瓜种质资源后,研究人员还发现了西瓜走向世界的路线。这项研究成果,不仅系统解析了野生西瓜到栽培西瓜的基因组驯化历史,还首次从全基因组层面明确了西瓜属全部7个种之间的进化关系。

  许勇和团队采用国际上先进的单分子测序、光学图谱与Hi-C三维基因组联合分析策略,绘制了全新的西瓜基因组高质量精细图谱,并顺藤摸瓜,找到“α-半乳糖苷酶基因ClAGA2”等基因。这就是促进糖分积累,使西瓜“苦尽甘来”的“甜蜜的基因”。

  这一研究,首次在DNA碱基水平的分子层面上揭示了西瓜果实品质性状的进化机制,巩固了我国在西瓜基因组学与分子育种技术研究领域的国际领先地位。

  2

  坚持三十余年的寻找

  1982年的夏天,正在为高考志愿纠结的许勇,拿起一份《中国青年报》翻看着。他翻报纸的动作渐渐慢了下来,盯着一篇名为“21世纪是生物世纪”的文章逐字逐句地读着。他怦然心动,隐隐觉得,掌握这项技术就可以让生活发生翻天覆地的变化。

  很多天,许勇都忘不了那篇文章。他在志愿表上,郑重写下“北京农业大学‘遗传育种’专业”。由于相关学科初创,“遗传育种”专业当年并未招生,高考录取时,许勇被调剂到蔬菜专业。

  “学种菜?这算什么上大学?”母亲摇了摇头。许勇也有些懊悔,他闷闷不乐地去学校报到。不过,许勇很快发现自己并没有偏离最初的理想,他告诉妈妈,“‘蔬菜专业’可不是简单地种菜,那也是在探索农作物的遗传发展规律。”

  许勇乐在其中,从本科一口气读到博士。

  1989年,许勇硕士研究生毕业,进入中国农业大学园艺系,边教书边读博,研究方向是黄瓜育种。教书、研究,许勇的生活平静而又规律。但他一直没忘1982年的那个夏天,一个声音常常在心底响起:“或许,我还能做些‘冲锋陷阵’的事情。”

  “京欣西瓜你吃过吧?”许勇话锋一转。他没等回答,接着说,“你知道这瓜为什么叫‘京欣’吗?”还是不等回答,他又接着说,“这是因为一位日本专家。”

  许勇上大学的时候,北京街面上的西瓜品种有限,而且产量不高,价格贵。“常见的也就是‘枣花’‘郑州3号’几个品种,吃起来也不甜。”许勇回忆着,撇了撇嘴。

  其实,农业部一直很重视西瓜培育。早在1979年5月,就专门派出一支考察团,深入日本田间3个月,学习蔬菜杂交育种经验。许勇的老同事张环,就是考察团的一员。也正是这次考察,孕育出许勇接棒的机会。

  当年,张环是北京市农科院蔬菜所研究员。考察期间,张环偶遇一位瓜农,通过翻译,她和瓜农聊了起来。“您种瓜多少年了?”“40年了,从我父亲开始,就一直在种瓜了!”

  “40年,不可能吧?”张环很吃惊,“北京的瓜农种瓜,得年年换地方,不然减产严重。”瓜农笑笑,说起了种瓜的秘密。原来,他们掌握了一种“嫁接”技术,西瓜可以在一块地上反复种。

  1982年,张环又以访问学者的身份再次赴日学习。这次,她结识了日本西瓜育种界泰斗级人物——“米可多”农场场长森田欣一。当时,森田欣一刚刚从“米可多”农场退休,有更多的时间做技术推广。一次,张环试探地问森田欣一,“您愿意来中国推广技术吗?”森田欣一很爽快地答应了,张环喜出望外。

  1985年,农业部正式邀请森田欣一来京,与北京市农林科学院西瓜课题组开展合作育种。

  森田欣一扎在田间地头,与中国瓜农切磋技术。他将日本的地膜覆盖技术引入中国,并因地制宜地采用树枝插橛固定瓜蔓的方法,将北京瓜农从压蔓的繁重工作中解脱出来,大大降低了西瓜的种植难度。不仅如此,森田欣一还将日本西瓜品种与北京西瓜杂交,培育出适合北京的新品种。北京市农林科学院将这一新品种命名为“京欣一号”,“这寓意着新品种生长在北京,凝聚着森田欣一的心血。”许勇说。1989年,甜蜜多汁的“京欣一号”在和平门菜市场、崇文门菜市场一亮相,就受到北京市民的欢迎。

  时间,是谁也逃避不了的对手。森田欣一年事渐高,张环、杨德岐等育种专家也先后到了退休年龄,人才断层,农林科学院迫切需要新的科研力量。

  许勇的机会来了。

  1994年,许勇受聘北京市农林科学院蔬菜研究中心,任西瓜课题组负责人。“从遗传规律上讲,西瓜和黄瓜还是很接近的,我也不算转行。”许勇说。

  培育超越“京欣一号”的新品种,是许勇遇到的第一个难题。多年的种植使“京欣一号”品种开始退化,耐裂性差、枯萎病害等渐渐显露,不得不更新换代。觅得良种,往往需要6到8年时间,不断摸索。为了加快育种,许勇和团队几乎天天扎在瓜棚里。 重复着前辈的方法,甚至比他们做得更有效率,但许勇依旧不满意。“这种育种方式还是有点儿‘碰运气’的意思, 遇到好的品种只有百万分之一到十万分之一的概率,想要一个好品种,至少需要10万份育种材料。”

  2002年,许勇得到了出国深造的机会。他出国做访问学者,接触到了全球农业科技最前沿的技术,“利用西瓜基因组测序指导常规育种”的想法,在他脑海里渐渐成形。

  2006年,许勇和团队开始攻关,他们联合国内外多家科研单位,通过“全基因组鸟枪法”测序技术,进行双末端测序,前后历时4年,得到约46G的基因序列数据。西瓜生命活动的奥秘,渐渐清晰。借助这46G的数据,许勇和团队完成了世界第一张西瓜基因组序列图谱,解码了西瓜基因组并鉴定出23440个基因,其中96.8%的基因已经精确定位到染色体上。2012年11月25日,这份图谱在线发表在《自然·遗传学》上,引起轰动。

  有了这份基因图谱,许勇团队走在了西瓜育种科技的世界前沿,育种不再是盲人摸象。“西瓜甜不甜、瓜瓤是什么颜色,尽在掌握。”许勇自信地说。

  凭借这份图谱,许勇团队很快培育出“华欣”“京美”等新品种,“京秀”“京颖”“京阑”等小型西瓜也陆续上市。如今,隆冬时节,市民也能吃上西瓜,就得益于这份图谱。

  3

  定位七年精准“甜蜜”

  寻找,还在继续。

  在利用第一代西瓜基因图谱加快新品种繁育的同时,许勇团队已开始着手绘制新一代西瓜基因图谱。由于初代图谱受实验技术和研究样本的限制,科学家们急需更多品种的基因图谱,加以比较,以精确找到控制西瓜各类性状的关键基因。

  “如果说第一代基因图谱是对一个人做的全身基因扫描,那么新一代基因图谱就是对所有人种进行更为精确的基因测序。”许勇解释。

  整整7年,许勇团队将样本范围扩展至全球,对西瓜属所有7个品种共414份代表性西瓜种质资源展开基因组变异分析。样本越多,意味着数倍甚至数十倍的工作量。例如RNA(核糖核酸)纯化,以前,较为粗放的检测只需两三次提纯;如今,则需要十余次,甚至几十次的纯化才能得到更高纯度的RNA,以精确分析西瓜重要性状关键基因的表达和高通量检测。

  精准到什么程度?研究人员左毅指着一份中国地图解释,“就好比我们有一张全国地图,现在要做的是进一步绘制更为精确的省份、市区地图,然后再精确地确定西瓜甜蜜基因来自于某省某市某区……”

  精确的代价,是枯燥的重复。左毅负责RNA去甲基化组,往往RNA纯化就要重复一个上午。左毅每天从早上8点半一直工作至夜里11点,365天,几乎天天如此。满脑子都是“RNA”的她,对实验室外的世界都变得迟钝了。前段日子一天晚上,她离开实验室,正赶上今冬初雪,纷纷扬扬的雪花飘落下来,左毅喃喃自语:“冬天,什么时候来的?”

  夜以继日工作的不仅仅是左毅,许勇团队十余个研究小组成员都在奋斗,蔬菜中心的大楼常常彻夜通明。大家你追我赶,期待着能早一天,精准定位“甜蜜基因”。

  今年11月,《自然·遗传学》上,再次出现了许勇的名字,新一代西瓜基因组精细图谱绘制和进化驯化进程解析研究成果,在线发表。

  这一次的图谱中,基因组组装大小达到365 Mb,组装成型的序列大大高于第一代技术,评定基因组拼接质量的N50提高到21.9Mb,包括138个非连续基因组框架。其中,仅31个非连续基因组框架就构成了11条人工染色体,覆盖了西瓜基因组组装大小的99.3%,是迄今为止最高质量的西瓜基因组序列图谱。

  许勇团队在对现存414份西瓜种质资源展开突变分析后,共鉴定获得约1973万个单碱基突变的变异点位。同时,通过西瓜全基因组关联分析,获得了与果实含糖量、瓤色、果实形状和种子颜色等多个重要农艺性状关联的43个信号位点,明确了果实大小、果肉含糖量、苦味、瓤色、质地、风味等重要品质性状的选择区域及候选基因,为西瓜功能基因深入研究及优异基因资源的利用,提供了重要数据支撑和理论基础。

  “在西瓜由野生转为人工栽培的驯化过程中,大量抗病基因丢失。如今我们可以参照图谱将这些抗病基因一一找回,高效地将全部优良性状聚合在同一品种上。”许勇介绍,研究团队目前已经将初步成果应用在育种中。

  许勇和团队仍未止步,多项西瓜品质性状基因功能分析的研究成果,正逐步构建起西瓜分子育种的完整技术体系。“届时,我们能培育出适宜全国各西瓜产区种植的优质品种,大家一年四季都能吃上优质西瓜。”许勇说。

  口感上的甜蜜,只是许勇和团队的追求之一,他们还有更大的期待——用优质的品种,让瓜农尝到种瓜的甜头。“搞农业科技,咱心里得装着农民。”许勇说。

  截至目前,许勇团队的研究成果已累计为农民增收超69亿元。在许勇眼中,这是最甜的事。