黄三文|科研工作者亲尝180000枚黄瓜叶片,终于破解黄瓜苦味谜题!

2018-06-29 07:42 | 作者: 中国农业科学院 | 标签: 黄瓜

本期专家:黄三文,研究员、博士生导师、中国农业科学院农业基因组研究所所长、国家农业基因组科技创新联盟理事长


黄瓜——被“驯化”的野生草药


黄瓜源自喜马拉雅山脉南麓,本是印度境内土生土长的植物。黄瓜的祖先长相狰狞,它们荔枝大小,通体碧绿,像海胆一样满身是刺,果实极苦,轻咬一口就让人肠胃尽空,原本在印度被作为草药使用。经过一代又一代的挑选,那些个儿大、味甜、刺少的品种被广泛种植,黄瓜果实和叶片都变大了,果实也失去了苦味,黄瓜逐渐从野生草药被“驯化”为一种蔬菜,并逐渐传到世界各地。


野生黄瓜


苦味——黄瓜自我防卫的武器

驯化其实就是一个人工选择的过程。尽管对人类有利的特点得到了强化,“野性难驯”的黄瓜们还是在叶片中保留了祖先的苦味,这是黄瓜在进行自我防卫,苦味是植物防御虫害、保护自己的一种天然武器,为了保护果实不被动物们吃,好繁衍后代。研究发现,黄瓜的苦味是由葫芦素引起的,极低量的葫芦素就能引起明显的苦味,比典型的苦味剂咖啡因还要苦100倍左右。


不抗虫黄瓜与叶片苦抗虫黄瓜

荷兰育种家采用了“简单粗暴”的方法——把黄瓜苦味物质葫芦素C破坏掉,使整株黄瓜完全产生不了苦味,结果果实自然不苦了,但同时牺牲了叶片的抗虫性。苦味在果实中的存在,不仅会影响蔬果的品质,也会影响农民的生产效益。如何更加精准调控苦味基因,让它们在可食用部位不苦,在其他部位苦,从而既能保证果实品质,又能保证其仍具有防御虫害的能力,须从基因中找到黄瓜变苦的秘密开关。

黄瓜


寻找苦味开关,科研工作者亲尝18万枚黄瓜苦叶片


味道的获得和丢失,与植物中次生代谢产物在作物可食用部分的分布和积累密切相关。研究团队致力于蔬菜作物基因组、变异组及转录组等大数据研究,探寻黄瓜苦味开关。

经过5年时间,科学家找到了合成苦味物质葫芦素C的9个基因,这9个基因源源不断地制造着苦味物质葫芦素C,苦味的出现由两个“主开关基因”控制。被驯化的黄瓜中,控制果实苦味的主开关常是关闭的,因而味道清爽,叶片苦味开关则开启着,以抵御虫害。但生长条件一不如意,一些“任性”的黄瓜便把果实上的苦味开关打开,9个基因立即生产葫芦素C,果实也就变苦了。找到叶片开关失灵的植株是进一步研究的关键。


黄瓜叶片

判断黄瓜叶片苦不苦最简单、最便捷的方式就是靠人去尝,为提高准确性,3人一组同时品尝,结果一致才能最终判定。科研工作者将60000株黄瓜,180000枚苦叶子逐一尝下来,终于找到了两株不苦的叶片,意味着这两株黄瓜的叶片开关失灵,种子则被非常金贵地保存了起来。依靠这两棵研究材料,团队找到了控制黄瓜叶片苦味的开关,对照其结构和功能在果实中寻找,又“顺藤摸瓜”地找到了控制黄瓜果实苦味的开关。

Bl和Bt基因 黄瓜苦味的主开关

研究团队找到了控制黄瓜苦味合成和调控过程中的11个关键基因。其中9个基因负责苦味物质葫芦素的合成,而另外的两个基因Bl和Bt则被形象地命名为“主开关基因”,控制其它9个苦味合成基因表达与否,其中Bl基因负责控制叶片的苦味,Bt基因控制果实的苦味。如果能够精确调节2个主开关基因的表达模式,就可以做到让黄瓜果实中不积累苦味物质,保证黄瓜的商品品质,同时还可以提高叶片中的葫芦素含量,用于抵御害虫的侵害,减少农药使用。


叶苦、瓜不苦的新品种黄瓜




葫芦素C,控制苦味,还能抗癌?

苦味可以被去除,当然也能被利用。研究发现癌细胞对葫芦素C很敏感,同时控制血糖的效果也很明显,随着葫芦素合成和调控机制的破解,利用“苦味”开发合成治癌药物已成为可能。目前,科学家已经开始了葫芦素C药用价值的研发。

经历千百年“驯化”的黄瓜或将被“反驯化”,用种植黄瓜与野生黄瓜进行杂交,果实就能又大又苦,弥补野生黄瓜太小不好入药的缺陷。用于食用的也将是“超级黄瓜”,叶子能抗虫,果实在任何条件下不会变苦。



专家介绍:

黄三文研究员主要致力于利用组学大数据开拓植物生物学前沿并推动作物育种变革。他是国际蔬菜基因组研究领域的奠基人之一,担任国际黄瓜基因组计划的首席科学家和国际茄科基因组研究联盟的共同主席。

组织和参与组织了黄瓜、马铃薯、番茄等重要作物的基因组测序,奠定了我国在这个领域的优势地位(Nature Genetics 2009, 2011, 2013; Nature 2011, 2012)。系统收集和分析了3000多份黄瓜品系和600多份番茄品系,构建了黄瓜和番茄的变异组图谱,阐明了这两种作物驯化和分化的遗传基础,为种质资源的育种利用提供了理论框架(Nature Genetics 2013, 2014)。利用组学工具,揭示了黄瓜苦味生物合成和调控的分子机制,阐明了人工选择对番茄果实代谢的影响并提出了番茄风味改良路线图,为培育优质蔬菜品种提供了分子育种工具(Science 2014, 2017; Cell 2018)。共发表学术论文100余篇,被SCI引用7000余次,得到了Nature Review Genetics、Faculty of 1000等期刊和同行专家的高度评价,在植物基因组学和园艺学领域具有广泛的国际影响。

2012年担任国家“973”项目首席科学家,获得国家杰出青年科学基金资助,入选“万人计划”。2016年获得“周光召基金会”基础科学奖。担任Molecular Plant和JIPB等学术期刊的编委。

来源:农科专家在线

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