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黃三文:用大數據精準培育“你的菜”

2020-07-06 14:43 | 作者: 中國科協網 | 標簽: 黃三文

在中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文辦公室的一面白色玻璃隔斷上,用馬克筆寫著一組雜交育種模式圖。這是多年前,他寫下的關于“優薯計劃”的創想。

雜交育種是將父母本雜交,形成不同的遺傳多樣性,再通過對雜交后代的篩選,獲得具有父母本優良性狀、且不帶有父母本中不良性狀的新品種的育種方法。馬鈴薯是依靠薯塊繁殖的同源四倍體物種,“優薯計劃”將用二倍體自交系替代同源四倍體品種進行雜交育種,大幅提高育種效率。用雜交種子替代塊莖繁殖,把繁殖系數提高1000倍,這是黃三文仍在攀登的一座科學高峰。

他與農業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,推動蔬菜基礎研究進入基因組時代后,馬鈴薯依舊是他最關心的作物。

2020年5月30日,黃三文被授予全國創新爭先獎狀。“我們所做的,不是為創新而創新。我們關注的是,怎么運用農業科技手段,讓老百姓吃上安全健康美味的蔬菜。”獲獎后,黃三文說。

沒有苦味的黃瓜,找回兒時味道的番茄,用種子栽培的馬鈴薯……黃三文表示,來自中國科協的這份肯定,激勵著他繼續帶領團隊,利用組學大數據,推動作物育種變革。

立志從農:從見證雜交水稻高產開始

少年時期的黃三文親眼看到,自家地里種植的袁隆平院士培育的雜交水稻產量翻了一番。這在他的心中播下一顆農業科技創新的種子,促使他報考原北京農業大學,并成為一輩子與農作物打交道的“農科人”。

2000年,黃三文來到荷蘭瓦赫寧根大學攻讀博士學位,正式開始了蔬菜分子設計育種的科研旅程。

晚疫病是馬鈴薯第一大病害,瓦赫寧根大學當時開展馬鈴薯抗病基因克隆研究已有10年,一直未取得顯著進展。

通過深入思考,黃三文認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。他的導師Evert Jacobsen教授欣然采納,讓他放手去做。

沒有基因組圖譜,圖位克隆基因就是一項異常艱巨的工程。別的學生工作8小時,他每天至少工作12小時。周末是他最高興的時候——大家都休息去了,他可以不被打擾地使用實驗儀器了。

經過長期高強度的研究工作,他與英國科學家合作建立了R3a-Avr3a基因互作系統,已成為馬鈴薯晚疫病菌研究的模式體系。

大膽突破:推動蔬菜研究進入基因組時代

畢業歸國后,黃三文在中國農科院蔬菜花卉研究所成立了功能基因組課題組,擔任課題組長。

課題組一成立就參與了荷蘭組織實施的國際馬鈴薯基因組計劃。

由于馬鈴薯測序材料是雜合二倍體,基因組比較復雜,構建其物理圖譜非常困難。傳統Sanger測序技術價格昂貴,項目進展不順,國際協作組士氣低落。

2006年,新一代測序技術NGS開始浮出水面,雖然尚無利用新技術對大基因組進行從頭測序的先例,但黃三文敏銳地意識到,新一代NGS測序技術為蔬菜基因組計劃帶來的機會。

“與其干耗著,不如嘗試用新一代測序技術測一個新的物種”。2006年底,黃三文決定用NGS做一次嘗試,測序基因組較小的黃瓜。

兩年時間,黃三文團隊完成了黃瓜基因組測序。這是國際上第一次用二代測序技術完成的大基因組測序工作,也是第一個蔬菜作物全基因組分析論文,實現了新中國成立后我國園藝界在國際頂尖學術期刊上發表論文零的突破。

反觀馬鈴薯基因組計劃的進展緩慢,黃三文下決心另辟蹊徑。

“直接測二倍體做不了,那做單倍體行不行?”黃三文團隊采用全基因組鳥槍法測量和新一代測序技術,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機理,發現了一批與塊莖發育相關的基因。

這一重大突破,使得國際馬鈴薯基因組計劃的科學家們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》雜志以封面論文發表了單倍體馬鈴薯基因組分析成果,被兩院院士評為2011年度“世界十大科技進展新聞”。

黃瓜和馬鈴薯項目積累的成功經驗,給予黃三文團隊巨大的信心。

隨后,黃三文推動了白菜、番茄、西瓜等多種蔬菜基因組測序。這推動我國蔬菜基礎研究進入到基因組學時代,實現了從“跟跑者”到“領跑者”的角色轉變。

頂天立地:引領基因組設計育種跨越

“基因組好比是一張地質勘探圖。對農業育種而言,基因組可以讓我們清晰地了解基因在進化過程中的選擇、遺棄、變異情況,以及人類在品種培育中做的努力。”黃三文認為,從事基因組研究,最終目的是為了培育擁有自主知識產權的優良品種并應用到實踐中。

如果說基礎研究是“頂天”,那么品種培育及產業開發就是“立地”。

從基因組走到品種培育的第一個作物就是黃瓜。

115份黃瓜核心種質重測序、100多個組織的轉錄組測序,構建了黃瓜分子生物學研究的數據庫。隨后5年,團隊20多個人,嘗了18萬多片黃瓜葉,終于找到了調控黃瓜苦味的11個基因。

“你愿意去吃苦瓜,但你絕不愿意去吃苦的黃瓜。”華南黃瓜還沒有解決苦味的問題。他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、廣東等地累計推廣150余萬畝,創造經濟效益100多億元。

在黃三文的列表中,下一個進入分子育種的是番茄。

2014年,黃三文和美國科學院院士Harry Klee“讓消費者參與育種”,邀請170位不同年齡、性別的品嘗專家對番茄進行嘗味,最終確定了33種主要風味物質,首次闡明了番茄風味的遺傳基礎。

由此,黃三文團隊已合作培育出含糖量顯著提高的番茄新材料,并面向新疆喀什和廣西百色等地區積極開展“美味番茄”育種扶貧項目。

2017年,在農業農村部的支持下,“優薯計劃”正式啟動,深圳基因組所負責基礎研究,云南師范大學負責育種。

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,他們已培育出首個概念性雜交品種-“優薯1號”,為馬鈴薯“綠色革命”鋪了路。

“當馬鈴薯完全用種子種植時,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,還能節約大量的土地資源和運力資源。”黃三文說。

協同創新:讓研究成果惠及老百姓

在黃三文心中,還有一個目標,就是通過個性化食品來解決供需兩端的精準對接問題。

作為深圳國際食品谷的倡導者和主要推動者之一,黃三文認為,協同創新是解決這一根本問題的重要途徑。

黃三文說,深圳雖然沒有大農業,但深圳擁有雄厚的信息技術實力和蓬勃發展的生物技術產業優勢。“深圳可以在現代農業上有所建樹。”就像荷蘭一樣,沒有太多的土地,但卻依靠農業科技成為世界農業強國。

黃三文認為,深圳可以借鑒荷蘭的做法和經驗,通過農業科技實現突破。

中國農業科學院與深圳市政府簽訂戰略合作框架協議,在深圳建立國際農業食品科學中心;基因組所在深圳啟動國際食品谷建設,納入重大項目支持;深圳市菜籃子米袋子170多家龍頭企業整體加入食品谷;華中農大、華南農大、中山大學等與基因組所合作加入食品谷……一系列協同創新舉措讓深圳成為農業食品科技強市的藍圖躍然紙上。

“農業領域的科研不能停留在紙上,發表論文不是終點而應是起點。一定要把我們的研究與國家需求、地區發展及老百姓的需求結合起來。”黃三文和他的團隊一直努力著。

來源:中國科協網

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