黃瓜——被“馴化”的野生草藥

 　　黃瓜源自喜馬拉雅山脈南麓，本是印度境內(nèi)土生土長(zhǎng)的植物。黃瓜的祖先長(zhǎng)相猙獰，它們荔枝大小，通體碧綠，像海膽一樣滿身是刺，果實(shí)極苦，輕咬一口就讓人腸胃盡空，原本在印度被作為草藥使用。經(jīng)過(guò)一代又一代的挑選，那些個(gè)兒大、味甜、刺少的品種被廣泛種植，黃瓜果實(shí)和葉片都變大了，果實(shí)也失去了苦味，黃瓜逐漸從野生草藥被“馴化”為一種蔬菜，并逐漸傳到世界各地。

 

苦味——黃瓜自我防衛(wèi)的武器

　　馴化其實(shí)就是一個(gè)人工選擇的過(guò)程。盡管對(duì)人類有利的特點(diǎn)得到了強(qiáng)化，“野性難馴”的黃瓜們還是在葉片中保留了祖先的苦味，這是黃瓜在進(jìn)行自我防衛(wèi)，苦味是植物防御蟲(chóng)害、保護(hù)自己的一種天然武器，為了保護(hù)果實(shí)不被動(dòng)物們吃，好繁衍后代。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。
不抗蟲(chóng)黃瓜與葉片苦抗蟲(chóng)黃瓜

　　荷蘭育種家采用了“簡(jiǎn)單粗暴”的方法——把黃瓜苦味物質(zhì)葫蘆素C破壞掉，使整株黃瓜完全產(chǎn)生不了苦味，結(jié)果果實(shí)自然不苦了，但同時(shí)犧牲了葉片的抗蟲(chóng)性�？辔对诠麑�(shí)中的存在，不僅會(huì)影響蔬果的品質(zhì)，也會(huì)影響農(nóng)民的生產(chǎn)效益。如何更加精準(zhǔn)調(diào)控苦味基因，讓它們?cè)诳墒秤貌课徊豢�，在其他部位苦，從而既能保證果實(shí)品質(zhì)，又能保證其仍具有防御蟲(chóng)害的能力，須從基因中找到黃瓜變苦的秘密開(kāi)關(guān)。

尋找苦味開(kāi)關(guān)

　科研工作者親嘗18萬(wàn)枚黃瓜苦葉片味道的獲得和丟失，與植物中次生代謝產(chǎn)物在作物可食用部分的分布和積累密切相關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)致力于蔬菜作物基因組、變異組及轉(zhuǎn)錄組等大數(shù)據(jù)研究，探尋黃瓜苦味開(kāi)關(guān)。
經(jīng)過(guò)5年時(shí)間，科學(xué)家找到了合成苦味物質(zhì)葫蘆素C的9個(gè)基因，這9個(gè)基因源源不斷地制造著苦味物質(zhì)葫蘆素C，苦味的出現(xiàn)由兩個(gè)“主開(kāi)關(guān)基因”控制。被馴化的黃瓜中，控制果實(shí)苦味的主開(kāi)關(guān)常是關(guān)閉的，因而味道清爽，葉片苦味開(kāi)關(guān)則開(kāi)啟著，以抵御蟲(chóng)害。但生長(zhǎng)條件一不如意，一些“任性”的黃瓜便把果實(shí)上的苦味開(kāi)關(guān)打開(kāi)，9個(gè)基因立即生產(chǎn)葫蘆素C，果實(shí)也就變苦了。找到葉片開(kāi)關(guān)失靈的植株是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。

　　判斷黃瓜葉片苦不苦最簡(jiǎn)單、最便捷的方式就是靠人去嘗，為提高準(zhǔn)確性，3人一組同時(shí)品嘗，結(jié)果一致才能最終判定�？蒲泄ぷ髡邔�60000株黃瓜，180000枚苦葉子逐一嘗下來(lái)，終于找到了兩株不苦的葉片，意味著這兩株黃瓜的葉片開(kāi)關(guān)失靈，種子則被非常金貴地保存了起來(lái)。依靠這兩棵研究材料，團(tuán)隊(duì)找到了控制黃瓜葉片苦味的開(kāi)關(guān)，對(duì)照其結(jié)構(gòu)和功能在果實(shí)中尋找，又“順藤摸瓜”地找到了控制黃瓜果實(shí)苦味的開(kāi)關(guān)。
Bl和Bt基因 黃瓜苦味的主開(kāi)關(guān)研究團(tuán)隊(duì)找到了控制黃瓜苦味合成和調(diào)控過(guò)程中的11個(gè)關(guān)鍵基因。其中9個(gè)基因負(fù)責(zé)苦味物質(zhì)葫蘆素的合成，而另外的兩個(gè)基因Bl和Bt則被形象地命名為“主開(kāi)關(guān)基因”，控制其它9個(gè)苦味合成基因表達(dá)與否，其中Bl基因負(fù)責(zé)控制葉片的苦味，Bt基因控制果實(shí)的苦味。如果能夠精確調(diào)節(jié)2個(gè)主開(kāi)關(guān)基因的表達(dá)模式，就可以做到讓黃瓜果實(shí)中不積累苦味物質(zhì)，保證黃瓜的商品品質(zhì)，同時(shí)還可以提高葉片中的葫蘆素含量，用于抵御害蟲(chóng)的侵害，減少農(nóng)藥使用。

 

葫蘆素C，控制苦味，還能抗癌？

　　苦味可以被去除，當(dāng)然也能被利用。研究發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞對(duì)葫蘆素C很敏感，同時(shí)控制血糖的效果也很明顯，隨著葫蘆素合成和調(diào)控機(jī)制的破解，利用“苦味”開(kāi)發(fā)合成治癌藥物已成為可能。目前，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始了葫蘆素C藥用價(jià)值的研發(fā)。
　　經(jīng)歷千百年“馴化”的黃瓜或?qū)⒈弧胺瘩Z化”，用種植黃瓜與野生黃瓜進(jìn)行雜交，果實(shí)就能又大又苦，彌補(bǔ)野生黃瓜太小不好入藥的缺陷。用于食用的也將是“超級(jí)黃瓜”，葉子能抗蟲(chóng)，果實(shí)在任何條件下不會(huì)變苦。

專家介紹
　　黃三文研究員主要致力于利用組學(xué)大數(shù)據(jù)開(kāi)拓植物生物學(xué)前沿并推動(dòng)作物育種變革。他是國(guó)際蔬菜基因組研究領(lǐng)域的奠基人之一，擔(dān)任國(guó)際黃瓜基因組計(jì)劃的首席科學(xué)家和國(guó)際茄科基因組研究聯(lián)盟的共同主席。
組織和參與組織了黃瓜、馬鈴薯、番茄等重要作物的基因組測(cè)序，奠定了我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位（Nature Genetics2009, 2011, 2013; Nature 2011, 2012）。系統(tǒng)收集和分析了3000多份黃瓜品系和600多份番茄品系，構(gòu)建了黃瓜和番茄的變異組圖譜，闡明了這兩種作物馴化和分化的遺傳基礎(chǔ)，為種質(zhì)資源的育種利用提供了理論框架（Nature Genetics 2013, 2014）。利用組學(xué)工具，揭示了黃瓜苦味生物合成和調(diào)控的分子機(jī)制，闡明了人工選擇對(duì)番茄果實(shí)代謝的影響并提出了番茄風(fēng)味改良路線圖，為培育優(yōu)質(zhì)蔬菜品種提供了分子育種工具（Science 2014, 2017; Cell 2018）。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，被SCI引用7000余次，得到了Nature Review Genetics、Faculty of 1000等期刊和同行專家的高度評(píng)價(jià)，在植物基因組學(xué)和園藝學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的國(guó)際影響。
　　2012年擔(dān)任國(guó)家“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家，獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助，入選“萬(wàn)人計(jì)劃”。2016年獲得“周光召基金會(huì)”基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)。擔(dān)任Molecular Plant和JIPB等學(xué)術(shù)期刊的編委。