作者:科信 来源:中国科协网 发布时间:2020/7/6 11:06:09
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黄三文:用大数据精准培育“你的菜”

 

在中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员黄三文办公室的一面白色玻璃隔断上,用马克笔写着一组杂交育种模式图。这是多年前,他写下的关于“优薯计划”的创想。

杂交育种是将父母本杂交,形成不同的遗传多样性,再通过对杂交后代的筛选,获得具有父母本优良性状、且不带有父母本中不良性状的新品种的育种方法。马铃薯是依靠薯块繁殖的同源四倍体物种,“优薯计划”将用二倍体自交系替代同源四倍体品种进行杂交育种,大幅提高育种效率。用杂交种子替代块茎繁殖,把繁殖系数提高1000倍,这是黄三文仍在攀登的一座科学高峰。

他与农业基因组研究的缘分从马铃薯开始,在破解黄瓜、西红柿等基因组密码,推动蔬菜基础研究进入基因组时代后,马铃薯依旧是他最关心的作物。

2020年5月30日,黄三文被授予全国创新争先奖状。“我们所做的,不是为创新而创新。我们关注的是,怎么运用农业科技手段,让老百姓吃上安全健康美味的蔬菜。”获奖后,黄三文说。

没有苦味的黄瓜,找回儿时味道的番茄,用种子栽培的马铃薯……黄三文表示,来自中国科协的这份肯定,激励着他继续带领团队,利用组学大数据,推动作物育种变革。

立志从农:从见证杂交水稻高产开始

少年时期的黄三文亲眼看到,自家地里种植的袁隆平院士培育的杂交水稻产量翻了一番。这在他的心中播下一颗农业科技创新的种子,促使他报考原北京农业大学,并成为一辈子与农作物打交道的“农科人”。

2000年,黄三文来到荷兰瓦赫宁根大学攻读博士学位,正式开始了蔬菜分子设计育种的科研旅程。

晚疫病是马铃薯第一大病害,瓦赫宁根大学当时开展马铃薯抗病基因克隆研究已有10年,一直未取得显著进展。

通过深入思考,黄三文认为失败的主因是克隆基因的方法存在问题,建议采取更可靠的图位克隆法。他的导师Evert Jacobsen教授欣然采纳,让他放手去做。

没有基因组图谱,图位克隆基因就是一项异常艰巨的工程。别的学生工作8小时,他每天至少工作12小时。周末是他最高兴的时候——大家都休息去了,他可以不被打扰地使用实验仪器了。

经过长期高强度的研究工作,他与英国科学家合作建立了R3a-Avr3a基因互作系统,已成为马铃薯晚疫病菌研究的模式体系。

大胆突破:推动蔬菜研究进入基因组时代

毕业归国后,黄三文在中国农科院蔬菜花卉研究所成立了功能基因组课题组,担任课题组长。

课题组一成立就参与了荷兰组织实施的国际马铃薯基因组计划。

由于马铃薯测序材料是杂合二倍体,基因组比较复杂,构建其物理图谱非常困难。传统Sanger测序技术价格昂贵,项目进展不顺,国际协作组士气低落。

2006年,新一代测序技术NGS开始浮出水面,虽然尚无利用新技术对大基因组进行从头测序的先例,但黄三文敏锐地意识到,新一代NGS测序技术为蔬菜基因组计划带来的机会。

“与其干耗着,不如尝试用新一代测序技术测一个新的物种”。2006年底,黄三文决定用NGS做一次尝试,测序基因组较小的黄瓜。

两年时间,黄三文团队完成了黄瓜基因组测序。这是国际上第一次用二代测序技术完成的大基因组测序工作,也是第一个蔬菜作物全基因组分析论文,实现了新中国成立后我国园艺界在国际顶尖学术期刊上发表论文零的突破。

反观马铃薯基因组计划的进展缓慢,黄三文下决心另辟蹊径。

“直接测二倍体做不了,那做单倍体行不行?”黄三文团队采用全基因组鸟枪法测量和新一代测序技术,于2009年初完成了单倍体马铃薯全基因组序列图的绘制,并初步阐明了马铃薯自交衰退的基因组学机理,发现了一批与块茎发育相关的基因。

这一重大突破,使得国际马铃薯基因组计划的科学家们决定把所有资源集中在中方组织的单倍体马铃薯测序计划上来。

2011年7月,《自然》杂志以封面论文发表了单倍体马铃薯基因组分析成果,被两院院士评为2011年度“世界十大科技进展新闻”。

黄瓜和马铃薯项目积累的成功经验,给予黄三文团队巨大的信心。

随后,黄三文推动了白菜、番茄、西瓜等多种蔬菜基因组测序。这推动我国蔬菜基础研究进入到基因组学时代,实现了从“跟跑者”到“领跑者”的角色转变。

顶天立地:引领基因组设计育种跨越

“基因组好比是一张地质勘探图。对农业育种而言,基因组可以让我们清晰地了解基因在进化过程中的选择、遗弃、变异情况,以及人类在品种培育中做的努力。”黄三文认为,从事基因组研究,最终目的是为了培育拥有自主知识产权的优良品种并应用到实践中。

如果说基础研究是“顶天”,那么品种培育及产业开发就是“立地”。

从基因组走到品种培育的第一个作物就是黄瓜。

115份黄瓜核心种质重测序、100多个组织的转录组测序,构建了黄瓜分子生物学研究的数据库。随后5年,团队20多个人,尝了18万多片黄瓜叶,终于找到了调控黄瓜苦味的11个基因。

“你愿意去吃苦瓜,但你绝不愿意去吃苦的黄瓜。”华南黄瓜还没有解决苦味的问题。他与湖南蔬菜所陈惠明研究员紧密合作,通过杂交选育那些苦味基因失效的材料,不苦黄瓜系列品种就这样诞生了。该系列品种已在湖南、湖北、江西、浙江、福建、广东等地累计推广150余万亩,创造经济效益100多亿元。

在黄三文的列表中,下一个进入分子育种的是番茄。

2014年,黄三文和美国科学院院士Harry Klee“让消费者参与育种”,邀请170位不同年龄、性别的品尝专家对番茄进行尝味,最终确定了33种主要风味物质,首次阐明了番茄风味的遗传基础。

由此,黄三文团队已合作培育出含糖量显著提高的番茄新材料,并面向新疆喀什和广西百色等地区积极开展“美味番茄”育种扶贫项目。

2017年,在农业农村部的支持下,“优薯计划”正式启动,深圳基因组所负责基础研究,云南师范大学负责育种。

2019年,他们解决了马铃薯自交不亲和的难题,获得了可直接用于育种的自交亲和的马铃薯新材料,淘汰了自交衰退基因。截至目前,他们已培育出首个概念性杂交品种-“优薯1号”,为马铃薯“绿色革命”铺了路。

“当马铃薯完全用种子种植时,只需2克种子就能种出一亩地的马铃薯,不仅能避免薯块种植易染病的问题,还能节约大量的土地资源和运力资源。”黄三文说。

协同创新:让研究成果惠及老百姓

在黄三文心中,还有一个目标,就是通过个性化食品来解决供需两端的精准对接问题。

作为深圳国际食品谷的倡导者和主要推动者之一,黄三文认为,协同创新是解决这一根本问题的重要途径。

黄三文说,深圳虽然没有大农业,但深圳拥有雄厚的信息技术实力和蓬勃发展的生物技术产业优势。“深圳可以在现代农业上有所建树。”就像荷兰一样,没有太多的土地,但却依靠农业科技成为世界农业强国。

黄三文认为,深圳可以借鉴荷兰的做法和经验,通过农业科技实现突破。

中国农业科学院与深圳市政府签订战略合作框架协议,在深圳建立国际农业食品科学中心;基因组所在深圳启动国际食品谷建设,纳入重大项目支持;深圳市菜篮子米袋子170多家龙头企业整体加入食品谷;华中农大、华南农大、中山大学等与基因组所合作加入食品谷……一系列协同创新举措让深圳成为农业食品科技强市的蓝图跃然纸上。

“农业领域的科研不能停留在纸上,发表论文不是终点而应是起点。一定要把我们的研究与国家需求、地区发展及老百姓的需求结合起来。”黄三文和他的团队一直努力着。

 
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