科技無止境。即便是一只西瓜,被“科技”了也會給人類帶來很多變化?!拔鞴峡茖W(xué)家”許勇希望通過西瓜的全基因圖譜培育出一個完美的西瓜,更甜美、更脆爽、更多汁,營養(yǎng)物質(zhì)更豐富,甚至可以作為清潔能源的來源……
掌握西瓜的“礦產(chǎn)分布圖”
五千年前,非洲南部炎熱干旱的卡拉哈里沙漠,生長著大片的野生西瓜,當?shù)赝林谝惶斓尼鳙C和采集活動結(jié)束之后,飽飲西瓜的汁液。在非洲干燥、荒蕪的大地中,它是當?shù)赝林蛣游镏饕乃础?/p>
和你我熟知的現(xiàn)代西瓜不同,非洲野生西瓜的皮質(zhì)極其堅硬,腳踩不壞,肉白而味微苦。
五千年后,北京南郊的西瓜之鄉(xiāng)龐各莊,瓜農(nóng)程春華切開一個中等個頭的西瓜,露出鮮紅的瓜瓤,粉色的汁水流了一地。
“這是海南運來的西瓜?!背檀喝A比畫著。隆冬時節(jié)的北京不怎么適合西瓜的生長,程春華在她的日光溫室里,把一粒粒西瓜的種子撒進土缽,來年五月,她將會收獲大大小小,風(fēng)味不一的西瓜。
這些西瓜很受歡迎,“瓜脆甜脆甜的,最好的時節(jié),一天能賣幾千斤?!?/p>
雖然它們的性狀大小風(fēng)味各異,但已經(jīng)全然不是五千年前從炎熱的非洲走出來的樣子了。
北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心主任、國家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家許勇研究員試圖解開這個謎。
作為世界五大水果之一,西瓜一直是全球重要的經(jīng)濟作物和夏季消暑水果。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,我國西瓜年產(chǎn)量占世界的67%,也是全球西瓜人均消費量最大的國家。西瓜在調(diào)整我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、增加農(nóng)民收入以及提高人民生活水平等方面發(fā)揮著重要作用。
“西瓜原產(chǎn)非洲,作為一種野生物種,并無甜味。現(xiàn)在人們食用的西瓜都是經(jīng)過馴化栽培的,已經(jīng)變得脆甜。我們研究要解決的一個主要問題,就是找到西瓜變甜的奧秘。”許勇和他的團隊意識到,要想選育出好的西瓜品種,事半功倍的辦法是找到這一物種的遺傳密碼,要在西瓜功能基因組學(xué)研究上下足功夫。
“掌握了基因組序列圖譜,就好比有了礦產(chǎn)分布圖,今后只要按圖索驥就可以‘開礦’了。原來我們育種要靠大量的田間試驗觀察,費時費力,很多時候是靠運氣,現(xiàn)在通過基因組序列圖譜,能夠更加容易獲得抗病、甜味等性狀。”許勇說道。
西瓜走出非洲之后
作為國際西瓜基因組計劃的牽頭人,許勇和康奈爾大學(xué)、深圳華大基因研究院、法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等機構(gòu)的科學(xué)家一起,成功繪制了全球第一張西瓜基因組序列圖譜,打開了西瓜生命活動的黑匣子。
所有的植物在它的生長周期內(nèi)所表現(xiàn)出來的全部的性狀—產(chǎn)量、大小、風(fēng)味、對抗病毒的能力,都是由某一種或某幾種基因所調(diào)控的,簡而言之,基因決定了一切。
美國在上個世紀末就由白宮制定了美國國家植物基因組計劃,10年內(nèi)投入了超過8億美金,對一些重要的糧食作物,比如水稻、玉米、大豆,進行基因圖譜的構(gòu)建,為的是更深入地探究那些為人類所依賴的,能滿足人類各種需求的植物的奧秘。
許勇和他的團隊也意識到基因組研究的重要性,它是揭示西瓜全部奧秘的關(guān)鍵之所在。西瓜基因圖譜的繪制,揭示了現(xiàn)代栽培西瓜的進化歷程,非洲野生西瓜原本的21對染色體,通過復(fù)雜的斷裂和融合,進化成現(xiàn)代西瓜特有的11對染色體。
西瓜走出非洲后,經(jīng)過無數(shù)次的自然的或人工的選擇,褪去了苦澀堅硬的外衣,口感變得更好,糖度也變得更高,變成了一種重要的經(jīng)濟作物。
根據(jù)許勇和他的團隊的研究,雖然現(xiàn)代西瓜的商業(yè)品質(zhì)在提升——產(chǎn)量更高,風(fēng)味更好,顏色更美,但它的遺傳基礎(chǔ)越來越窄,野生西瓜中各種優(yōu)良的基因大量丟失,制約了更高品質(zhì)西瓜的培育。
重測序分析表明,大量抗病基因在從野生西瓜到現(xiàn)代栽培西瓜的進化和人工馴化過程中丟失。許勇?lián)苏业搅丝刂莆鞴戏N植過程中最重要的幾種病害——枯萎病、炭疽病、白粉病與病毒病的基因標記。
這正是西瓜基因圖譜的現(xiàn)實意義,找到并恢復(fù)在數(shù)萬年的進化過程種丟失的好基因,培育出“百毒不侵”的西瓜。
根據(jù)西瓜基因圖譜,許勇和他的同事還清晰繪制了西瓜糖分的代謝與調(diào)控以及瓜氨酸代謝的基因網(wǎng)絡(luò)。
在這張包含了23440個基因——與人類的基因數(shù)量大體相當?shù)幕驁D譜上,你能找到幾乎所有和西瓜性狀相關(guān)的資源,產(chǎn)量、大小、顏色、糖分、營養(yǎng)成分、抗病性等。
用西瓜驅(qū)動汽車?
植物的基因組研究并不只為了滿足好奇心,更是為了滿足人類日益增長的對食物和清潔的生物能源的需求。
許勇愿意把基因圖譜比作是衛(wèi)星定位圖,精確定位了控制西瓜各個性狀的基因,這些基因信息能夠極大地加快西瓜的培育速度,生產(chǎn)出更營養(yǎng)、更美味、更耐病害的品種。
實際上,他利用這張圖譜,已經(jīng)培育出更棒的西瓜品種——可以削皮吃的蘋果西瓜。
通過基因調(diào)節(jié),許勇除了讓瓜瓤變得脆甜,還精確地控制了西瓜大小,重量約在一公斤,瓜皮只有1毫米厚,因此可以像蘋果一樣削食。
“小巧可愛,特別適合居家旅行,又脆又甜,15塊錢一個,非常受歡迎?!狈N了16年西瓜的瓜農(nóng)張世同這樣評價他的新產(chǎn)品,他在西瓜大棚里試驗性地種了2畝這個還來不及命名,被籠統(tǒng)地稱為蘋果西瓜的新品種。
除了蘋果西瓜,還有轉(zhuǎn)入抗病基因,更強壯的京欣4號西瓜。許勇所在的北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心所選育的京欣系列西瓜一直是華北華東市場的明星,“現(xiàn)在的京欣4號西瓜,在產(chǎn)量、抗裂性、抗病性上有一個質(zhì)的飛躍,”許勇說,“我們育種家,就像調(diào)酒師,在生產(chǎn)者和消費者,品質(zhì)和商業(yè)利益中尋找一個平衡?!?/p>
許勇也因此當選了中央電視臺2013年度科技創(chuàng)新人物,獲獎理由是“主持繪制完成了世界上第一張西瓜全基因組圖譜,利用這張圖先后培育出一系列抗病性強,口感好,糖度高的西瓜新品種?!?/p>
在許勇的規(guī)劃里,他希望通過西瓜的全基因圖譜培育出一個完美的西瓜,各種優(yōu)良基因聚合在一個西瓜里,它可以更甜美、更脆爽、更多汁、瓜皮更綠、果瓤更紅、營養(yǎng)物質(zhì)更豐富,瓜農(nóng)和消費者想要什么,都能實現(xiàn)。
“現(xiàn)在看來還不能完全實現(xiàn),當一個物種的基因組測序完成了,打開這個物種的奧秘的大門才剛剛打開而已?!痹S勇說。
以西瓜的甜度表達為例,西瓜果實發(fā)育的最后15天內(nèi),其果實的含糖量可以迅速提高到12%以上,許勇找到了控制西瓜變甜的核心基因,摸清了西瓜糖分代謝的輪廓,但是基因的調(diào)控細節(jié),基因之間的相互關(guān)系,哪個基因起主導(dǎo)作用,還不為人知。
許勇希望摸清這些細節(jié),將西瓜的含糖量在短時間內(nèi)提高到甘蔗的水平——18%,然后利用發(fā)酵工藝將高糖分的西瓜轉(zhuǎn)化為清潔的生物乙醇,添加到汽車中,就像巴西的甘蔗制成的生物乙醇成為本國第二大能源來源一樣,開啟西瓜的新天地。