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　   2023年11月22日，中國科學(xué)院公布2023年院士增選名單，中國熱科院院長黃三文當(dāng)選中國科學(xué)院院士。

　　這位扎根蔬菜研究領(lǐng)域30多年的科學(xué)家，率領(lǐng)他的科研團(tuán)隊，揭開了馬鈴薯、西紅柿、黃瓜等多種蔬菜的奧秘，發(fā)現(xiàn)了沒有苦味的黃瓜、找回了兒時味道的番茄、用種子栽培的馬鈴薯……這其中，很多是突破性乃至世界級科技成就。

　　尋找苦味開關(guān)，團(tuán)隊親嘗18萬枚黃瓜苦葉片！

　　現(xiàn)在，市場上黃瓜品種琳瑯滿目，再找到一根苦黃瓜可是不容易了。因為我國科學(xué)家現(xiàn)在研究培育的黃瓜品種具有高產(chǎn)、抗病害、口感好、外形好等優(yōu)點(diǎn)，并且苦味“開關(guān)”可以關(guān)閉。

　　在2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，黃三文研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊開展的黃瓜基因組和重要農(nóng)藝性狀基因研究獲得2018年度國家自然科學(xué)獎二等獎。“黃瓜的葉子保留著苦味，這是為了防御蟲害、保護(hù)自己?！睋?jù)黃三文介紹，研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜的苦味是由葫蘆素引起的，極低量的葫蘆素就能引起明顯的苦味，比典型的苦味劑咖啡因還要苦100倍左右。為了找出控制黃瓜苦味的基因，改善黃瓜風(fēng)味，黃三文團(tuán)隊決定嘗試，并選取基因組較小的黃瓜作為實驗品。他們包下一片黃瓜試驗田，采用基因誘變的方法，種植了6萬多株黃瓜。

    “為了讓老百姓少吃‘苦’，我們科學(xué)家們多吃‘苦’?！秉S三文說。在那個炎熱的夏天，黃三文團(tuán)隊20余人，組成“品嘗天團(tuán)”，把 6 萬株黃瓜的葉片都嘗個遍，每株需要獨(dú)立品嘗3次?！盀榱吮苊忮e覺，吃一口黃瓜葉要漱一次口，每株黃瓜都由3個人共同判斷，相當(dāng)于我們總共吃了18萬片葉子。”他們每個人抱著一大瓶礦泉水，嘗一口黃瓜，喝一口水漱嘴，再接著嘗。連吃二十幾天，團(tuán)隊成員們的舌頭都麻木了。

　　黃三文院士及其團(tuán)隊

　　最終，他們將60000株黃瓜，180000枚苦葉子逐一嘗下來，終于找到了2株不苦的葉片，意味著這2株黃瓜的葉片開關(guān)失靈，種子則被非常金貴地保存了起來。依靠這2株研究材料，團(tuán)隊找到了控制黃瓜葉片苦味的開關(guān)，對照其結(jié)構(gòu)和功能在果實中尋找，又“順藤摸瓜”地找到了控制黃瓜果實苦味的開關(guān)。

　　2007 年，蔬菜花卉所自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)起了國際黃瓜基因組計劃，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。

　　2009 年，黃瓜基因組框架圖繪制完成，這是世界上第一個蔬菜作物的全基因組序列圖，也是第一個用新一代基因組測序技術(shù)完成的植物基因組，標(biāo)志著我國蔬菜作物的基因組計劃，實現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

　　基于上述發(fā)現(xiàn)，通過精準(zhǔn)分子育種，科研人員們培育出雌花多、產(chǎn)量高、葉苦抗蟲、果實不苦的“蔬研”2號、5號、12號系列品種，成功解決了華南黃瓜品種變苦而喪失商品價值的生產(chǎn)難題，并利用雌花控制基因提高了產(chǎn)量，累計推廣約100萬畝，創(chuàng)造約80億元的經(jīng)濟(jì)價值，取得了顯著的社會效益。

　　下一步，團(tuán)隊還將解決“黃瓜越來越?jīng)]有清香味”的問題，讓百姓吃上更“精準(zhǔn)美味”的黃瓜。

　　找回番茄“丟失的遺傳力”

　　2014 年，黃三文團(tuán)隊和美國科學(xué)院院士Harry Klee合作，開始研究番茄。

　　“這些年科研聚焦在番茄抗病性、產(chǎn)量等方面，卻讓番茄漸失風(fēng)味?！秉S三文將目光轉(zhuǎn)向消費(fèi)者，尋找“兒時的美味”，“風(fēng)味研究最復(fù)雜，首先要知道什么是風(fēng)味，然后了解控制風(fēng)味的遺傳密碼是什么？”然而，食物風(fēng)味的評價標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜多樣，難以統(tǒng)一，導(dǎo)致相關(guān)研究一度陷入困境。

　　黃三文院士及其團(tuán)隊

　　為了解決這個難題，他們邀請了 170 位不同年齡、性別的消費(fèi)者對番茄進(jìn)行品嘗，最終確定了33種主要風(fēng)味物質(zhì)，首次闡明了番茄風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。2017 年，這項研究成果發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué) （Science）》上，并入選了當(dāng)期封面文章。2018 年，《番茄育種對果實代謝組的改變》登上了《細(xì)胞（Cell）》。有關(guān)番茄的科研成果還入選了2017、2019年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展及“十三五”農(nóng)業(yè)科技標(biāo)志性成果。

　　這無異于找到了控制番茄風(fēng)味的鑰匙。接下來，通過科學(xué)家與農(nóng)藝師的攜手辛勤勞作，“深愛”系列美味番茄誕生了。

　　截至目前，運(yùn)用無土栽培技術(shù)育種的“深愛”番茄已培育至深愛15號，以櫻桃番茄為主，不同品種間充分體現(xiàn)出了既要好吃又要滿足差異化需要的理念，各具特色、難分伯仲。比如粉紅色的深愛1號，形如初生雞蛋，大小介于大果番茄和櫻桃番茄之間，是市場上不多見的中型果，初吃不是特甜，但回甜強(qiáng)，口留余香，南北方均適合栽培；深愛2號則是深紅靚麗的櫻桃番茄；深愛5號糖度高，但抗病性也強(qiáng)，含有10個抗病性標(biāo)記；深愛7號串型好、回味甜；深愛8號表皮超薄、入口即化；深愛12號是黃色品種，深愛13號是橙色品種，深愛15號則是咖啡色品種。

　　突破創(chuàng)新，揭示馬鈴薯基因組變異和演化規(guī)律

　　番茄基因組秘密破解后，黃三文團(tuán)隊重點(diǎn)目光聚焦到了馬鈴薯上。種植一畝地馬鈴薯從需200千克薯塊到僅需2克種子，不僅畝產(chǎn)量相當(dāng)，且口感軟糯、色澤深黃，富含類胡蘿卜素和干物質(zhì)含量，這個具有里程碑式意義的雜交馬鈴薯，被命名為“優(yōu)薯1號”，是“優(yōu)薯計劃”取得的重大突破。

為什么研究馬鈴薯？

　　馬鈴薯是世界上最重要的塊莖類糧食作物，全球有13億人口以馬鈴薯為主食。8000多年前被馴化至今，馬鈴薯一直依靠薯塊進(jìn)行無性繁殖。這也導(dǎo)致了馬鈴薯繁殖系數(shù)低、種植成本高、容易病蟲害等問題。此外，由于馬鈴薯基因組的復(fù)雜性，育種過程很慢，全世界還有上百年的老品種仍在大面積種植。

　　用種子繁殖取代薯塊繁殖，已成為全球科學(xué)界一致的奮斗目標(biāo)。

什么是“優(yōu)薯計劃”？

　　2015年，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)科院和深圳市的支持下，基因組所聯(lián)合云南師范大學(xué)等國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，即運(yùn)用“基因組設(shè)計”的理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體育種替代四倍體育種，并用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖。這是馬鈴薯育種和繁殖的新底層技術(shù)，是對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新。

中國科學(xué)家突破了哪些難題？

　　在這場馬鈴薯的“綠色革命”中，有2個“卡脖子”問題：自交不親和與自交衰退。自交不親和是指植物自花授粉后不會產(chǎn)生種子的現(xiàn)象。黃三文團(tuán)隊通過基因組編輯技術(shù)敲除了控制馬鈴薯自交不親和的基因，篩選到了這一基因的天然突變體，并克隆了來自野生種的自交親和基因，徹底解決了自交不親和的問題。第一步，首先解決了自花授粉后不會產(chǎn)生種子的問題。自交衰退是指生物在自交之后出現(xiàn)生理機(jī)能的衰退，表現(xiàn)為生活力下降、抗性減弱、產(chǎn)量降低等?？茖W(xué)家表示，由于長期無性繁殖，馬鈴薯累積了大量隱性有害突變。一旦自交后，這些突變就會顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致“自交衰退”。

　　借助基因組設(shè)計，“優(yōu)薯計劃”已獲得了純度達(dá)99%以上的高純合度自交系“優(yōu)薯1號”，它的后代與上一代基本完全一樣。通過小規(guī)模種植試驗，“優(yōu)薯1號”的畝產(chǎn)量已接近3000千克/畝。具有顯著的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢，同時還具有干物質(zhì)含量高和類胡蘿卜素含量高的特點(diǎn)，蒸煮品質(zhì)佳。

　　黃三文表示，“優(yōu)薯1號”還需要改良抗病性和光周期的適應(yīng)性，讓雜交馬鈴薯不僅能在南方栽培，還能在北方栽培。“如果用四倍體育種，周期是10到15年，但是用種子育種，周期縮短到3至5年，只有之前的1/3?！秉S三文表示，育種周期越短，馬鈴薯的遺傳改良就能進(jìn)入快速迭代的軌道。據(jù)規(guī)劃，“優(yōu)薯計劃”已完成了第一個“五年計劃”，培育出首個概念性品種“優(yōu)薯1號”，接下來的第二個“五年計劃”和第三個“五年計劃”將分別解決產(chǎn)業(yè)化涉及的關(guān)鍵問題，開始小規(guī)模推廣，以及培育出一系列滿足市場需求的新品種，開始大面積推廣。

　　這些成果證明了“種子化”馬鈴薯在理論和實踐上的可行性，雜交馬鈴薯基因組設(shè)計育種技術(shù)被評為2021年中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新技術(shù)，曾被袁隆平院士譽(yù)為“顛覆性創(chuàng)新，將帶來馬鈴薯的綠色革命”。

種優(yōu)則糧豐

向科研路上“追光者”致敬!