“吃黃瓜快吃到瓜蒂時，往往會變得非常苦。關(guān)于黃瓜苦味問題，科學(xué)家一直沒找到原因。”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高興地說，“經(jīng)5年努力，我們終于找到了合成苦味物質(zhì)葫蘆素c的9個基因，也找到了調(diào)控黃瓜苦味的兩個‘主開關(guān)’?！?/p>

　　今年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次報道黃三文團(tuán)隊的成果，標(biāo)志著經(jīng)數(shù)十年努力，我國蔬菜基因組學(xué)研究實現(xiàn)了從“跟跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)身。

　　“次生代謝產(chǎn)物大多植物用來抵抗病蟲害的武器。確實有‘主開關(guān)’調(diào)控次生代謝基因簇，這是植物科學(xué)的一個重要發(fā)現(xiàn)?！?/p>

　　感受農(nóng)業(yè)科技的魅力

　　作為洞庭湖邊、汨羅江畔的一名農(nóng)家子弟，選擇農(nóng)業(yè)是緣于黃三文年少的一件事。20世紀(jì)80年代，他家種植了袁隆平培育的雜交水稻后產(chǎn)量翻了一番。農(nóng)業(yè)科技的魅力使他報考了北京農(nóng)業(yè)大學(xué)，并愛上了植物育種學(xué)。

　　1996年，黃三文如愿來到中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院從事蔬菜遺傳育種研究。經(jīng)學(xué)習(xí)和實踐，黃三文基本掌握了蔬菜常規(guī)育種的技術(shù)流程，也逐步認(rèn)識到這種以表型為選擇對象的常規(guī)育種方法存在著育種效率低、數(shù)量性狀改良難度大等缺陷。當(dāng)時分子標(biāo)記技術(shù)在國內(nèi)蔬菜育種研究中尚未應(yīng)用，他大膽地采用RAPD（隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA）標(biāo)記方法分析了辣椒育性恢復(fù)性狀，發(fā)現(xiàn)了與主效恢復(fù)基因連鎖的RAPD標(biāo)記，并發(fā)表了第一篇SCI論文，成功申請了一項國際科研項目。

　　2000年9月，研究所推薦他前往荷蘭瓦赫寧根大學(xué)攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師是瓦赫寧根大學(xué)植物育種系主任Evert Jacobsen教授。晚疫病是馬鈴薯第一大病害，瓦赫寧根大學(xué)當(dāng)時開展抗病基因克隆工作已有10年，尚未取得顯著進(jìn)展。通過深入思考，黃三文認(rèn)為失敗的主要原因是克隆基因方法存在問題。他精心準(zhǔn)備了一封信，向?qū)熖嶙h應(yīng)采取更可靠的圖位克隆法。導(dǎo)師欣然采納了他的建議，讓他放手去做。

　　沒有基因組圖譜，圖位克隆基因仍是一項非常艱巨的工程，為此黃三文全身心投入了工作。別的學(xué)生每天工作8小時，他工作12小時以上；周末對荷蘭學(xué)生來說是雷打不動的休息時間，對他是利用實驗室儀器的大好時間。經(jīng)過長時期、高強(qiáng)度的努力工作，他成功地克隆了一個重要抗病基因R3a，并與英國科學(xué)家合作克隆了R3a識別的晚疫病菌無毒基因Avr3a。如今R3a-Avr3a這一分子互作系統(tǒng)已成為馬鈴薯—晚疫病菌研究的模式體系。黃三文也因其博士期間的突出表現(xiàn)獲得了2004年度“國家優(yōu)秀留學(xué)生獎學(xué)金”。

　　從跟跑者到領(lǐng)跑者

　　2005年2月4日，中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所生物技術(shù)室成立了功能基因課題組。課題組一成立就參與了由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)發(fā)起的大型國際合作項目——國際馬鈴薯基因組計劃，這也是我國參加的第一個蔬菜基因組國際計劃，后來共有14個國家28家科研機(jī)構(gòu)參加了該計劃。黃三文作為中方首席科學(xué)家負(fù)責(zé)項目的組織和執(zhí)行。

　　計劃實施不久，研究就面臨嚴(yán)重困難，主要是在測序策略上采用了依賴傳統(tǒng)測序技術(shù)、高質(zhì)量物理圖譜的技術(shù)方案；在合作方式上采用按染色體分工策略，使項目進(jìn)度很難掌握。

　　2006年，新一代DNA測序技術(shù)開始浮出水面，雖然當(dāng)時尚無利用新技術(shù)對大基因組進(jìn)行從頭測序的先例，但黃三文敏銳意識到新一代DNA測序技術(shù)為蔬菜基因組計劃帶來的機(jī)會，也認(rèn)識到基因組學(xué)對園藝學(xué)科基礎(chǔ)研究整體提升的重要意義，他經(jīng)過深思熟慮后向研究所提出了書面建議，認(rèn)為必須發(fā)起我方主導(dǎo)的計劃，來帶動我國蔬菜基因組學(xué)研究的快速發(fā)展。

　　2007年，蔬菜花卉所自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)起國際黃瓜基因組計劃，大膽采用最新測序技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的測序手段、全基因組鳥槍法測序策略等。由于采取了正確的測序策略和高效的組織方式，計劃進(jìn)展順利，其研究成果在2009年11月的《自然—遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上作為封面文章發(fā)表。這是第一個蔬菜作物全基因組分析論文，也是我國園藝界第一次在高影響因子的國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文。

　　盡管黃瓜基因組研究獲得重大突破，但到2008年上半年，馬鈴薯基因組計劃進(jìn)度仍然緩慢，于是，黃三文下決心另辟蹊徑，采用單倍體材料、全基因組鳥槍法策略和新一代DNA測序技術(shù)，于2009年初完成了單倍體馬鈴薯全基因組序列圖的繪制，并初步闡明了馬鈴薯自交衰退的基因組學(xué)機(jī)理并發(fā)現(xiàn)一批與馬鈴薯塊莖發(fā)育相關(guān)的基因。

　　在2009年3月愛爾蘭會議上，大家決定把所有資源集中在中方組織的單倍體馬鈴薯測序計劃上來。2011年7月《自然》雜志以封面長篇幅論文發(fā)表了馬鈴薯基因組分析的成果，被兩院院士評為2011年度“世界十大科技進(jìn)展新聞”。美國植物基因組專家認(rèn)為，“馬鈴薯基因組論文是基因組比較分析的優(yōu)秀范例，作者們采用了單倍體來測序克服了馬鈴薯基因組的雜合度帶來的困難。”

　　黃瓜、馬鈴薯基因組計劃為我國蔬菜基因組研究凝聚了團(tuán)隊，鍛煉和培養(yǎng)了人才，其研究策略被之后開展的白菜、番茄和西瓜基因組計劃所采納。接著，我國取得了國際白菜基因組計劃的主導(dǎo)權(quán)，發(fā)起制定了西瓜基因組計劃，在番茄基因組計劃中發(fā)揮了重要作用……通過幾年努力，黃三文帶領(lǐng)著中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所基因組學(xué)研究團(tuán)隊，實現(xiàn)了從“跟跑者”到“領(lǐng)跑者”的角色轉(zhuǎn)變。

　　從基因組到新品種

　　從事基因組研究，最終目的是為了培育擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種。為打通從基因組到新品種這條“頂天立地”的道路，黃三文以黃瓜為研究對象，繼續(xù)深化功能基因組研究，加強(qiáng)遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究，開展了全基因組設(shè)計育種。

　　目前，黃三文團(tuán)隊與國內(nèi)外研究團(tuán)隊合作，已完成100多個組織的轉(zhuǎn)錄組測序，重測序了115份核心種質(zhì)并繪制了黃瓜的變異組圖譜，構(gòu)建了黃瓜突變體庫并正完善遺傳轉(zhuǎn)化的技術(shù)體系，為發(fā)掘、驗證黃瓜重要性狀基因提供了“利器”，在國際園藝學(xué)科，黃瓜遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究方面率先進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時代。而該成果，2013年發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》上。

　　在加強(qiáng)遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究方面，黃三文帶領(lǐng)團(tuán)隊構(gòu)建了第一張遺傳—細(xì)胞遺傳整合圖譜、遺傳—物理整合圖譜、黃瓜—甜瓜—西瓜比較遺傳圖譜以及變異組圖譜，黃瓜可用的分子標(biāo)記由200個迅速增長到400萬個。利用變異組數(shù)據(jù)，設(shè)計開發(fā)了遺傳背景選擇芯片，并且迅速精細(xì)定位了30多個重要性狀基因。重點(diǎn)對性別決定、苦味形成、果實發(fā)育三個重要性狀的遺傳和分子機(jī)理進(jìn)行了深入研究。而最近在苦味形成機(jī)理上的突破，就是綜合利用基因組數(shù)據(jù)和分子生物學(xué)、生物化學(xué)等多學(xué)科交叉工具手段的結(jié)果。

　　“盡管已破譯了蔬菜的遺傳密碼，但我們的全基因組設(shè)計育種研究才剛剛起步?！秉S三文說。