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        黃三文:用大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)培育“你的菜”

        2020-12-17 06:31:52
        發(fā)明與創(chuàng)新 2020年41期

        黃三文(圖/中國科協(xié)網(wǎng))

        近日,國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》在線發(fā)表了“優(yōu)薯計劃”的最新研究成果。該研究成果由中國農(nóng)科院深圳基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)研究完成,提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組、最全面的馬鈴薯單體型比較分析,為馬鈴薯二倍體雜交種子早日誕生奠定了基礎(chǔ)。黃三文與農(nóng)業(yè)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(chǔ)研究進(jìn)入基因組時代后,馬鈴薯依舊是他最關(guān)心的作物。用雜交種子替代塊莖繁殖,把繁殖系數(shù)提高1000倍,這是黃三文一直在攀登的一座科學(xué)高峰。

        基于多年的研究成果,黃三文先后獲得國家自然科學(xué)獎二等獎、周光召基金會基礎(chǔ)科學(xué)獎、何梁何利基金會科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎。今年5月30日,黃三文被授予全國創(chuàng)新爭先獎。10月13日,他又被表彰為“深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)建立40周年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物和先進(jìn)模范人物”。

        “我們所做的,不是為創(chuàng)新而創(chuàng)新。我們關(guān)注的是,怎么運(yùn)用農(nóng)業(yè)科技手段,讓老百姓吃上安全健康美味的蔬菜。”黃三文表示,這些肯定激勵著他繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),利用組學(xué)大數(shù)據(jù)推動作物育種變革。

        立志從農(nóng):從見證雜交水稻高產(chǎn)開始

        1971年,黃三文出生于湖南省岳陽市,少年時期的他親眼看到自家地里種植的袁隆平培育的雜交水稻產(chǎn)量翻了一番。這在他的心中播下一顆農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的種子,促使他報考北京農(nóng)業(yè)大學(xué)(現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)),并成為一輩子與農(nóng)作物打交道的“農(nóng)科人”。

        2000年,黃三文來到荷蘭瓦赫寧根大學(xué)攻讀博士學(xué)位,正式開始了蔬菜分子設(shè)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(xué)當(dāng)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(jìn)展。

        通過深入思考,黃三文認(rèn)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(dǎo)師欣然采納,讓他放手去做。

        沒有基因組圖譜,圖位克隆基因就是一項(xiàng)異常艱巨的工程。別的學(xué)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——大家都休息了,他可以不被打擾地使用實(shí)驗(yàn)儀器了。

        經(jīng)過長期高強(qiáng)度的研究工作,黃三文與英國科學(xué)家合作建立了R3a-Avr3a基因互作系統(tǒng),現(xiàn)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(jìn)入基因組時代

        畢業(yè)歸國后,黃三文在中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所成立了功能基因組課題組,擔(dān)任課題組長。課題組一成立就參與了荷蘭組織實(shí)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(fù)雜,構(gòu)建其物理圖譜非常困難。傳統(tǒng)Sanger測序技術(shù)價格昂貴,項(xiàng)目進(jìn)展不順,國際協(xié)作組士氣低落。

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

        “與其干耗著,不如嘗試用新一代測序技術(shù)測一個新的物種?!?006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(tuán)隊(duì)完成了黃瓜基因組測序。這是國際上第一次用NGS測序技術(shù)完成的大基因組測序工作,也是第一篇蔬菜作物全基因組分析論文,實(shí)現(xiàn)了我國園藝界在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文零的突破。

        反觀馬鈴薯基因組計劃的緩慢進(jìn)展,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(tuán)隊(duì)采用全基因組鳥槍法測量和新一代測序技術(shù),于2009年初完成了單倍體馬鈴薯全基因組序列圖的繪制,發(fā)現(xiàn)了一批與塊莖發(fā)育相關(guān)的基因。

        2011年7月,《自然》雜志以封面論文發(fā)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(jìn)展新聞”。

        黃瓜和馬鈴薯項(xiàng)目積累的成功經(jīng)驗(yàn),給予黃三文團(tuán)隊(duì)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,推動我國蔬菜基礎(chǔ)研究進(jìn)入原基因組學(xué)時代,實(shí)現(xiàn)了從“跟跑者”到“領(lǐng)跑者”的角色轉(zhuǎn)變。

        頂天立地:引領(lǐng)基因組設(shè)計育種跨越

        “基因組好比是一張地質(zhì)勘探圖。對農(nóng)業(yè)育種而言,基因組可以讓我們清晰地了解基因在進(jìn)化過程中的選擇、遺棄、變異情況,以及人類在品種培育中作出的努力?!秉S三文認(rèn)為,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)良品種并應(yīng)用到實(shí)踐中。

        如果說基礎(chǔ)研究是“頂天”,那么品種培育及產(chǎn)業(yè)開發(fā)就是“立地”。

        從基因組走到品種培育的第一個作物是黃瓜。

        115份黃瓜核心種質(zhì)重測序、100多個組織的轉(zhuǎn)錄組測序,構(gòu)建了黃瓜分子生物學(xué)研究的數(shù)據(jù)庫。隨后5年,團(tuán)隊(duì)20多個人,嘗了18萬多片黃瓜葉,終于找到了調(diào)控黃瓜苦味的11個基因。

        黃三文(左一)和團(tuán)隊(duì)成員一起品嘗黃瓜(圖/ 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院)

        “你愿意吃苦瓜,但你絕不愿意吃苦的黃瓜?!秉S三文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(1畝≈666.7平方米),創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益100多億元。

        隨后,黃三文團(tuán)隊(duì)又合作培育出含糖量顯著提高的番茄新品種,并面向新疆喀什和廣西百色等地區(qū)積極開展“美味番茄”育種扶貧項(xiàng)目。

        2017年,在原農(nóng)業(yè)部的支持下,“優(yōu)薯計劃”正式啟動,深圳基因組研究所負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究,云南師范大學(xué)負(fù)責(zé)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(yōu)薯1號”。

        “當(dāng)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(jié)約大量的土地資源和運(yùn)力資源?!秉S三文說。

        “農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科研不能停留在紙上,發(fā)表論文不是終點(diǎn)而應(yīng)是起點(diǎn)。一定要把我們的研究與國家需求、地區(qū)發(fā)展及老百姓的需求結(jié)合起來?!秉S三文和他的團(tuán)隊(duì)一直在努力著。

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