一根黄瓜为何获得两项大奖

如何培育出好吃又高产的黄瓜，不仅老百姓关心，我国蔬菜科研工作者更关心。在不久前刚结束的国家科学技术奖励大会上，中国农业科学院“黄瓜基因组和重要农艺性状基因研究”，以及“黄瓜优质多抗种质资源创制与新品种选育”两个项目，分别获得国家自然科学二等奖和国家科技进步二等奖——一根黄瓜一鸣惊人，一举获得两项国家奖
黄瓜是我国第一大设施蔬菜，年播种面积约1500万亩，约占世界播种面积的50%。规模虽大，产量虽高，但消费者也常抱怨：“黄瓜越来越没有黄瓜味儿啦”“没有小时候的口感了”……
那么，中国农业科学院的“黄瓜项目”为何能一次荣获两项国家奖?这背后有怎样的故事?经济日报记者日前采访了两个项目的负责人——黄三文和顾兴芳。
揭示黄瓜“身世”
黄瓜在2000多年前来到中国，2009年，研究团队破译了黄瓜的基因组遗传密码——黄瓜由此成为全球首个被破解基因密码的蔬菜作物
黄瓜属葫芦科，原产于印度。最早的黄瓜呈圆形，外表长有黑刺，巨苦，无法食用。经过长达3000多年的驯化，黄瓜最终变身成为人们喜爱的蔬菜。黄瓜来到中国是在2000多年前，据《本草纲目》记载，张骞出使西域并带回了一种名为“胡瓜”的蔬菜，这就是我们今天的黄瓜。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员黄三文及团队的研究成果，为这一历史事件提供了有力的科学依据。2009年，团队利用新一代基因组测序技术，破译了黄瓜的基因组遗传密码，打开了探究瓜类作物多样性和功能基因的大门，黄瓜也由此成为全球第一个被破解基因密码的蔬菜作物。
研究人员发现，黄瓜共计有2.3万多个基因，是目前已知开花植物中基因数目最少的。在数千年的驯化过程中，黄瓜种质主要演变成4个类群：印度、西双版纳、欧亚和东亚类群。其中，印度类群包含野生变种和原始栽培群体，其他3个类群为栽培群体，是在印度经过初步驯化后分别传播到不同地区产生的。
“在仔细研究黄瓜基因组之后，我们发现，东亚类群与印度野生类群的分离时间约为2000年，这与《本草纲目》中记载的史实惊人地相符。”黄三文说。
在农业生产中，通过遗传育种学来改良作物，提升其产量、品质，是最为重要的科学手段之一。过去很长一段时期，国内外黄瓜遗传育种研究一直落后于番茄、白菜等主要蔬菜作物。“黄瓜一直没有完整的分子标记遗传图谱，最好的遗传图谱只有200多个分子标记(大部分是不可移植的标记)，这严重限制了黄瓜遗传育种研究。”黄三文介绍，黄瓜是甜瓜属的66个物种中唯一单倍体染色体数目为7的物种(其他均为12)，基本上无法通过有性杂交来与同属的其他物种开展遗传物质交流——通过常规技术手段开发黄瓜标记非常困难。
“因此，只有通过基因组学这一工具，才能系统研究种质资源的遗传变异，并建立重要农艺性状基因高效鉴定的体系，由此，黄瓜生物学研究才有可能深入，分子设计育种才有可能实现。”黄三文说。
多年来，研究团队在黄瓜基因组和染色体演化、种群遗传变异规律以及重要农艺性状形成的分子机制等方面开展了系统研究。他们的成果不仅给黄瓜等葫芦科作物基础生物学以及分子育种研究提供了全新知识框架和工具平台，还推动了我国蔬菜基础生物学，以及植物代谢调控研究进入国际先进水平，实现了我国蔬菜基因组学研究从跟跑到领跑的跨越。
关上苦味“开关”
科研团队研究发现了控制黄瓜苦味物质合成的两个“开关”——一个控制果实，一个控制叶片，由此揭示了植物次生代谢精确调控的新机制
如今，我们所吃的黄瓜香脆可口，略带甘甜。而实际上，过去的黄瓜并不都是如此美味的。上世纪90年代以前，尤其在南方地区，人们经常能吃到很苦的黄瓜。以前大家普遍认为，味道苦是因为缺水。这个说法合理吗?
黄三文表示，这个结论是对的，但缺水只是表面现象。更深层次的原因在于：黄瓜中能够合成一种叫做“葫芦素C”的物质，它是导致果实变苦的“元凶”。而这种物质只有在黄瓜遇到不利的生存环境下才会分泌，比如干旱、高温、土壤盐碱化，等等。
研究人员还发现，葫芦素C是一把“双刃剑”。虽然它使得果实变苦，但同时也让黄瓜的叶片变苦，从而有效防止害虫的侵袭。“以前一些发达国家的做法是，将控制黄瓜分泌葫芦素C的总开关关上。这样的好处是黄瓜没有了苦味，但坏处是无法抵御虫害了。”黄三文说。
“而我们通过研究黄瓜的基因组，发现控制黄瓜苦味物质合成实际上存在两个‘开关’——一个控制果实，一个控制叶片。如果只将控制果实的开关关上，将控制叶片的打开，不就可以实现黄瓜不苦而且叶片抗虫了吗?”黄三文及团队提出了这样的设想。
事实证明，这个推理是正确的。这一发现不仅揭示了植物次生代谢精确调控的新机制，也为培育高产优质抗虫黄瓜新品种提供了分子育种方案。
据了解，该项目成员陈惠明研究员基于上述成果，开发了不苦基因和强雌基因分子标记，通过分子育种培育了“蔬研2号”“蔬研5号”“蔬研12号”等黄瓜系列品种，成功解决了华南黄瓜品种变苦而丧失商品价值的生产难题。
实现“优质多抗丰产”
为将黄瓜科研成果落地、造福百姓，中国农业科学院先后育成了8个不同生态型的新一代优质多抗黄瓜新品种，新增社会经济效益近百亿元
什么样的黄瓜品种才是好品种?
“优质、多抗、丰产。”中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员顾兴芳用简短的几个字概括了好黄瓜品种的特点。
自上世纪90年代起，顾兴芳就带领团队把注意力放在黄瓜科研成果落地、造福百姓上。他们先后育成了8个不同生态型的新一代无苦味、有光泽、抗病毒病、黑星病等优质多抗黄瓜新品种，引领了密刺型黄瓜的高品质育种方向，成为我国黄瓜品质育种的标杆。他们通过对黄瓜进行抗病、抗逆、质量性状遗传及其机理的探索和解析，进行了大量相关技术开发和试验，为遗传育种研究奠定了坚实的基础。
与十字花科、茄科等蔬菜作物相比较，葫芦科蔬菜的生育周期短。以黄瓜为例，一年之中，黄瓜的播种茬口最多可以达到6次，远远高于部分蔬菜的2次到3次。尤其在夏季，温室大棚内的温度要比外面平均高8℃至10℃，酷热难耐。
而顾兴芳团队的工作人员需要为试验田内十几亩地的黄瓜逐一人工授粉、选种，观察并记录生长情况。蔬菜花卉所在北京有4处试验田，团队成员每周穿梭于各农场，从早忙到晚。
“每年从4月份一直到11月份，经常是早上六七点上班，晚上六七点下班。尤其每年‘五一’‘十一’假期，正是授粉旺季，大家总是积极主动加班，顶烈日、冒酷暑，尽职尽责完成科研任务。”项目组成员张圣平如是说。
在团队数十年如一日的共同努力下，育成的8个黄瓜新品种商品性突出，符合百姓对高品质黄瓜的需求，受到了消费者青睐。而且，新品种不仅比原主栽品种平均增产10%以上，还在生产中减少农药使用量约20%。其中，“中农16号”是北京、辽宁、黑龙江、天津、河北等省市的主栽品种，占北京市春秋大棚和露地黄瓜总种植面积的65%和55%;“中农26号”则为辽宁省日光温室种植面积最大的黄瓜品种，占瓦房店及锦州两地日光温室黄瓜种植面积的80%以上。
据顾兴芳介绍，目前，团队培育的新品种在27个省区市累计推广1187.9万亩，新增社会经济效益91.61亿元。