2018年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)部分成員　

 

　　

　　　　

　　2018年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)顧興芳（右三）等

　　

　　

　　黃瓜的馴化歷程

　　

　　　

　　中農(nóng)26號（蔬菜所供圖）

　　

　　1月8日是2018年度國家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會召開的日子。　　

　　清晨,，黃三文和顧興芳在進(jìn)入人民大會堂參加大會之前合了一張影,，成為他們科研友誼的見證,。　　

　　他們同來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）,，同樣研究黃瓜,，在同一年分別獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng),。　　

　　他們各自帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),，又在科研上開展合作,，搞清楚了黃瓜基因組的“內(nèi)核”,，并借此指導(dǎo)黃瓜分子育種，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。　

　　十余年來,，從基因組到新品種，黃瓜科研真正實(shí)現(xiàn)了“頂天”又“立地”,。

　　

　　為了讓黃瓜有黃瓜味兒　

　　“黃瓜沒有黃瓜味啦,！”“西紅柿的味道越來越淡了?！笔卟似焚|(zhì)已經(jīng)成為老百姓關(guān)心的話題,，也是我國蔬菜科研工作者努力的方向。　　

　　但是在黃瓜基因組破譯之前,，蔬菜基因組到底什么樣,，沒有人知道?！盎A(chǔ)研究較為薄弱,，導(dǎo)致蔬菜優(yōu)良品種培育進(jìn)程緩慢，分子育種無從開展,?！秉S三文告訴《中國科學(xué)報(bào)》。　

　　黃瓜是葫蘆科作物的模式物種,，它僅有3億個(gè)堿基對,，是蔬菜中最少的。同時(shí),，在生產(chǎn)上,，黃瓜是五大蔬菜之一,，又是第一設(shè)施蔬菜。　　

　　然而,，世紀(jì)之初,，我國黃瓜單產(chǎn)水平和荷蘭等發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，一些黃瓜品種在不利生長條件下易發(fā)苦而嚴(yán)重影響商品價(jià)值,。此外,，消費(fèi)者對外觀和風(fēng)味品質(zhì)以及品種多樣性要求越來越高。　

　　“要解決黃瓜生產(chǎn)中的主要問題,，亟須創(chuàng)新黃瓜育種的理論和技術(shù)體系,。”黃三文說,。　

　　但是,，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,。在黃三文和顧興芳等人提出對黃瓜開展聯(lián)合研究之前,，黃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(gè)分子標(biāo)記,，大部分是AFLP 等不可移植的標(biāo)記,，且連鎖群的個(gè)數(shù)大于染色體數(shù)目，不能有效地覆蓋到全基因組,，這嚴(yán)重限制了黃瓜遺傳育種研究,。　

　　“制約黃瓜遺傳育種研究的結(jié)構(gòu)性障礙是其遺傳背景非常狹窄?！鳖櫯d芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》,，黃瓜是甜瓜屬的66 個(gè)物種中唯一單倍體染色體數(shù)目為7 的物種（其它均為12），基本上無法通過有性雜交與同屬的其它物種進(jìn)行遺傳物質(zhì)的交流,。　

　　由于遺傳背景狹窄,，通過常規(guī)的技術(shù)手段開發(fā)黃瓜標(biāo)記非常困難，造成黃瓜遺傳研究體系落后,，這嚴(yán)重制約了黃瓜生物學(xué)研究和分子設(shè)計(jì)育種開展,。　

　　2005年至2006年，“454”和“Illumina”等新一代基因測序技術(shù)先后問世,，使得以前因?yàn)樾实?、耗時(shí)長、成本高而讓人望而生畏的生物基因組測序發(fā)生了根本性的變化,，低成本,、高效率進(jìn)行生物基因組測序成為了可能。　

　　2006年底,，包括黃三文,、謝丙炎,、顧興芳等在內(nèi)的蔬菜所專家提出利用新一代測序技術(shù)進(jìn)行黃瓜基因組測序的建議。蔬菜所時(shí)任所長杜永臣成先后多次組織召開黨委會和所學(xué)術(shù)委員會進(jìn)行專題研究,。　

　　最后決定,，為打破黃瓜分子遺傳研究落后的局面，提升黃瓜分子育種研究水平,，并帶動我國其他蔬菜乃至園藝作物的分子育種技術(shù)發(fā)展,，蔬菜所自籌千萬余元資金，利用新的測序技術(shù)進(jìn)行黃瓜基因組測序,。　　

　　測序工作2007年正式啟動后,，又得到了原農(nóng)業(yè)部、科技部和國家自然科學(xué)基金委員會的部分項(xiàng)目支持,。

　　

　　解讀基因組秘密　

　　“我們的工作相互支撐,。”黃三文團(tuán)隊(duì)研究員張忠華告訴《中國科學(xué)報(bào)》,，從項(xiàng)目啟動伊始，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作就緊密的聯(lián)系在一起,。　

　　以黃三文團(tuán)隊(duì)為主,，蔬菜所研究人員抓住新一代基因組測序技術(shù)出現(xiàn)的契機(jī)，破解了第一個(gè)蔬菜作物——黃瓜的基因組遺傳密碼,。并以此為基礎(chǔ),，研究了世界上主要黃瓜資源的全基因組遺傳變異。　

　　他們證實(shí),，黃瓜原產(chǎn)于印度,，經(jīng)過人類馴化選擇成為人們喜歡的蔬菜，后來傳播到不同地域,，形成了三個(gè)主要類型：歐亞黃瓜,、東亞黃瓜、西雙版納黃瓜,。東亞黃瓜與印度黃瓜的分離時(shí)間是2000多年,，與張騫出使西域給中國帶來這個(gè)大眾蔬菜的史實(shí)相吻合。　

　　2009年到2013年,，上述研究成果先后發(fā)表于《自然-遺傳》和《美國科學(xué)院院刊》等國際頂級期刊上,。　

　　顧興芳說，這些成果為發(fā)現(xiàn)黃瓜重要農(nóng)藝性狀控制基因提供了重要的資源和信息,，也為黃瓜種質(zhì)資源的育種利用提供了理論框架,。以此為基礎(chǔ)，他們克隆和定位了50多個(gè)黃瓜農(nóng)藝性狀基因,，推動黃瓜育種進(jìn)入分子設(shè)計(jì)時(shí)代,。

　　針對黃瓜單產(chǎn)較低和華南類型黃瓜偶有苦味的生產(chǎn)問題,，2014年，他們在《科學(xué)》雜志上宣布發(fā)現(xiàn)控制果實(shí)數(shù)目和苦味形成的關(guān)鍵基因,。　

　　黃三文介紹,，黃瓜只有雌花才能發(fā)育成商品瓜，他們發(fā)現(xiàn)M基因能夠控制雌花的形成,，M基因是黃瓜首個(gè)得到功能確證的重要農(nóng)藝性狀基因,，結(jié)合該基因作用途徑開發(fā)了提高雌花率的基因標(biāo)記，用于輔助選育高產(chǎn)黃瓜,。　

　　此外,，黃瓜中的合成葫蘆素C導(dǎo)致果實(shí)變苦，他們發(fā)現(xiàn)了控制黃瓜苦味物質(zhì)合成的9個(gè)基因,，并發(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,。　

　　“把果實(shí)‘開關(guān)’關(guān)上，不讓黃瓜變苦,；把葉片‘開關(guān)’打開,，讓葉片苦來抗蟲?！秉S三文說,，苦味物質(zhì)精確調(diào)控是植物中首次揭示代謝產(chǎn)物的精確調(diào)控機(jī)制。

　　與此同時(shí),，顧興芳團(tuán)隊(duì)利用黃瓜基因組大數(shù)據(jù),，構(gòu)建了國際上第一張超飽和含有10629個(gè)SNP的遺傳圖譜；首次發(fā)現(xiàn)了果實(shí)苦味基因Bi-3和顯性果皮有光澤基因G,，闡明了有光澤,、抗黑星病、抗病毒病等性狀的遺傳規(guī)律,；開發(fā)出與無苦味,、有光澤、抗黑星病,、抗病毒病等21個(gè)性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記,。　　

　　不僅如此，黃瓜基因組研究方法體系在白菜,、西瓜和番茄等蔬菜作物基因組研究中得到廣泛應(yīng)用,。在我國多個(gè)單位的同心協(xié)力下，在Nature,、Science和Cell等國際頂尖期刊發(fā)表10多篇研究論文,，帶動我國蔬菜基因組學(xué)科進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。

　　

　　分子育種進(jìn)入“掘金時(shí)代”　

　　長期以來，我國蔬菜生產(chǎn)上品質(zhì)優(yōu)良,、多抗和豐產(chǎn)性好的黃瓜品種數(shù)量不足,。　

　　顧興芳介紹，黃瓜原有主栽品種瓜把長,、瓜色暗,、瓜條表面有黃線、果肉顏色發(fā)白,、口感差,，影響了果實(shí)外觀品質(zhì)和食用品質(zhì)；多抗,、高抗品種少,，造成不同年份的豐產(chǎn)性不穩(wěn)定。　

　　關(guān)于黃瓜主要病害抗病性鑒定方法,，更是沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),，影響了抗病性鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性及可比性，導(dǎo)致育種效率降低,。

　　此外,，在品質(zhì)和抗病育種技術(shù)上，仍沿用常規(guī)育種手段,，無簡便且實(shí)用的分子標(biāo)記可用,，育種周期長，選擇效率低,，導(dǎo)致品種更新?lián)Q代速度慢。　　

　　“基因組研究推動了黃瓜基因的‘掘金時(shí)代’,?！秉S三文如是說。自然獎(jiǎng)獲得者之一,、湖南蔬菜研究所的陳惠明研究員基于基因組研究結(jié)果,，培育了“蔬研”系列等新品種，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,。累計(jì)推廣約100萬畝,，創(chuàng)造約80億元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，取得了顯著的社會效益,。　

　　此外,，以顧興芳團(tuán)隊(duì)為主，取得了幾項(xiàng)重大原創(chuàng)性成果,。　　

　　顧興芳團(tuán)隊(duì)研究員張圣平告訴《中國科學(xué)報(bào)》,，他們花十幾年時(shí)間收集保存并系統(tǒng)評價(jià)了5637份種質(zhì)，極大豐富了我國蔬菜種質(zhì)資源庫。　　

　　通過創(chuàng)建8項(xiàng)先進(jìn)高效的抗病性鑒定和品質(zhì)評價(jià)技術(shù),，團(tuán)隊(duì)發(fā)掘出抗病優(yōu)質(zhì)資源19份,，研制出黑星病、病毒病等8種主要病害的抗病鑒定技術(shù)和瓜把長度,、黃色條紋等品質(zhì)評價(jià)技術(shù),，頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)，為優(yōu)異基因挖掘和優(yōu)質(zhì)多抗育種提供了種質(zhì)基礎(chǔ),。　

　　顧興芳還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先創(chuàng)制出聚合無苦味,、有光澤等5-6個(gè)優(yōu)質(zhì)基因和抗黑星病、病毒病等5-10個(gè)抗病基因的高配合力自交系12個(gè),，攻克了優(yōu)質(zhì)和抗病基因難以聚合的技術(shù)難題,。“突破了密刺型黃瓜不抗黑星病,、水果型黃瓜不抗病毒病的育種瓶頸,。”顧興芳說,。　　

　　利用創(chuàng)制的優(yōu)質(zhì)多抗自交系,，他們通過分子育種手段，培育出新一代優(yōu)質(zhì)多抗新品種8個(gè),，實(shí)現(xiàn)了密刺型黃瓜優(yōu)質(zhì)多抗育種的突破,。中農(nóng)16號、中農(nóng)26號等,，占遼寧,、河北等設(shè)施黃瓜主產(chǎn)區(qū)總面積的50%以上；中農(nóng)106號,、中農(nóng)18號等,，成為廣東、云南等7省區(qū)的主栽品種,，占主產(chǎn)區(qū)的30%以上,。　

　　上述新品種在全國27個(gè)省（市,、區(qū)）累計(jì)推廣1187.9萬畝,，新增社會經(jīng)濟(jì)效益91.61億元，其中近三年推廣493.52萬畝,，新增社會經(jīng)濟(jì)效益36.97億元,。　

　　“新品種的大面積推廣，不僅為農(nóng)民脫貧致富做出了積極貢獻(xiàn),；由于其多抗性質(zhì),，減少農(nóng)藥使用量20%以上,，推動了蔬菜產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展，生態(tài)效益顯著,?！睆埵テ秸f。　

　　更重要的是,，顧興芳認(rèn)為,，這些成果推動了行業(yè)科技進(jìn)步：分子標(biāo)記多基因聚合育種技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了黃瓜常規(guī)育種與分子育種相結(jié)合的重大變革,；育成新品種的推廣應(yīng)用,，為我國黃瓜品種占本國市場主導(dǎo)地位做出了重要貢獻(xiàn)。

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