西瓜溯源五千年

科技無(wú)止境。即便是一只西瓜，被“科技”了也會(huì)給人類帶來(lái)很多變化。“西瓜科學(xué)家”許勇希望通過(guò)西瓜的全基因圖譜培育出一個(gè)完美的西瓜，更甜美、更脆爽、更多汁，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更豐富，甚至可以作為清潔能源的來(lái)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(zhǎng)著大片的野生西瓜，當(dāng)?shù)赝林谝惶斓尼鳙C和采集活動(dòng)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(dāng)?shù)赝林蛣?dòng)物主要的水源。

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(jiān)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(kāi)一個(gè)中等個(gè)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(yùn)來(lái)的西瓜。”程春華比畫(huà)著。隆冬時(shí)節(jié)的北京不怎么適合西瓜的生長(zhǎng)，程春華在她的日光溫室里，把一粒粒西瓜的種子撒進(jìn)土缽，來(lái)年五月，她將會(huì)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(shí)節(jié)，一天能賣幾千斤。”

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(lái)的樣子了。

北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心主任、國(guó)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(kāi)這個(gè)謎。

作為世界五大水果之一，西瓜一直是全球重要的經(jīng)濟(jì)作物和夏季消暑水果。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，我國(guó)西瓜年產(chǎn)量占世界的67%，也是全球西瓜人均消費(fèi)量最大的國(guó)家。西瓜在調(diào)整我國(guó)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(wú)甜味。現(xiàn)在人們食用的西瓜都是經(jīng)過(guò)馴化栽培的，已經(jīng)變得脆甜。我們研究要解決的一個(gè)主要問(wèn)題，就是找到西瓜變甜的奧秘。”許勇和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)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(kāi)礦’了。原來(lái)我們育種要靠大量的田間試驗(yàn)觀察，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很多時(shí)候是靠運(yùn)氣，現(xiàn)在通過(guò)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(shuō)道。

西瓜走出非洲之后

作為國(guó)際西瓜基因組計(jì)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等機(jī)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(kāi)了西瓜生命活動(dòng)的黑匣子。

所有的植物在它的生長(zhǎng)周期內(nèi)所表現(xiàn)出來(lái)的全部的性狀—產(chǎn)量、大小、風(fēng)味、對(duì)抗病毒的能力，都是由某一種或某幾種基因所調(diào)控的，簡(jiǎn)而言之，基因決定了一切。

美國(guó)在上個(gè)世紀(jì)末就由白宮制定了美國(guó)國(guó)家植物基因組計(jì)劃，10年內(nèi)投入了超過(guò)8億美金，對(duì)一些重要的糧食作物，比如水稻、玉米、大豆，進(jìn)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(tuán)隊(duì)也意識(shí)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(jìn)化歷程，非洲野生西瓜原本的21對(duì)染色體，通過(guò)復(fù)雜的斷裂和融合，進(jìn)化成現(xiàn)代西瓜特有的11對(duì)染色體。

西瓜走出非洲后，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的自然的或人工的選擇，褪去了苦澀堅(jiān)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(jì)作物。

根據(jù)許勇和他的團(tuán)隊(duì)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(lái)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(cè)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(jìn)化和人工馴化過(guò)程中丟失。許勇?lián)苏业搅丝刂莆鞴戏N植過(guò)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(biāo)記。

這正是西瓜基因圖譜的現(xiàn)實(shí)意義，找到并恢復(fù)在數(shù)萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)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(gè)基因——與人類的基因數(shù)量大體相當(dāng)?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(yíng)養(yǎng)成分、抗病性等。

用西瓜驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)的對(duì)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(gè)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(yíng)養(yǎng)、更美味、更耐病害的品種。

實(shí)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(píng)果西瓜。

通過(guò)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(píng)果一樣削食。

“小巧可愛(ài)，特別適合居家旅行，又脆又甜，15塊錢一個(gè)，非常受歡迎。”種了16年西瓜的瓜農(nóng)張世同這樣評(píng)價(jià)他的新產(chǎn)品，他在西瓜大棚里試驗(yàn)性地種了2畝這個(gè)還來(lái)不及命名，被籠統(tǒng)地稱為蘋(píng)果西瓜的新品種。

除了蘋(píng)果西瓜，還有轉(zhuǎn)入抗病基因，更強(qiáng)壯的京欣4號(hào)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(chǎng)的明星，“現(xiàn)在的京欣4號(hào)西瓜，在產(chǎn)量、抗裂性、抗病性上有一個(gè)質(zhì)的飛躍，”許勇說(shuō)，“我們育種家，就像調(diào)酒師，在生產(chǎn)者和消費(fèi)者，品質(zhì)和商業(yè)利益中尋找一個(gè)平衡。”

許勇也因此當(dāng)選了中央電視臺(tái)2013年度科技創(chuàng)新人物，獲獎(jiǎng)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(qiáng)，口感好，糖度高的西瓜新品種。”

在許勇的規(guī)劃里，他希望通過(guò)西瓜的全基因圖譜培育出一個(gè)完美的西瓜，各種優(yōu)良基因聚合在一個(gè)西瓜里，它可以更甜美、更脆爽、更多汁、瓜皮更綠、果瓤更紅、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更豐富，瓜農(nóng)和消費(fèi)者想要什么，都能實(shí)現(xiàn)。

“現(xiàn)在看來(lái)還不能完全實(shí)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)物種的基因組測(cè)序完成了，打開(kāi)這個(gè)物種的奧秘的大門才剛剛打開(kāi)而已。”許勇說(shuō)。

以西瓜的甜度表達(dá)為例，西瓜果實(shí)發(fā)育的最后15天內(nèi)，其果實(shí)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(xì)節(jié)，基因之間的相互關(guān)系，哪個(gè)基因起主導(dǎo)作用，還不為人知。

許勇希望摸清這些細(xì)節(jié)，將西瓜的含糖量在短時(shí)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(guó)第二大能源來(lái)源一樣，開(kāi)啟西瓜的新天地。