中國農業科學院農業基因組研究所所長黃三文
作者 | 林濤
圖片來源 |華巨臣茶博會
2019年12月10日早，在深圳坪山舉行的「第九屆茶學青年科學家」論壇上，中國農業科學院農業基因組研究所所長黃三文以「蔬菜育種的組學之路」為主題發表了演講。
他談到:「我們也在思考，什麼是農業的未來？我們覺得是以可持續的方式供給個性化食品。每個人基因都不一樣。每個人對茶的喜好不一樣。廣東人很少喜歡喝綠茶，他們喜歡喝英紅九號。福建人喜歡喝的又不一樣。江浙人喜歡喝綠茶，北京人喜歡茉莉花。回到我們農民，常問的問題是今年種什麼？種完賣給誰？消費端的問題是吃什麼最好？在哪裡買到？實際上，我們農業生產到消費之間是有巨大的鴻溝。」
「我們還有兩個重要的科學問題。一個在食物裡面，食物的營養風味是由哪些物質和基因決定的？番茄裡面得到了一些初步的解答，在水稻裡面也有一部分解答。茶葉裡面有一些物質的解答，但是呢基因，可能還不知道。另外一個科學問題，在我們人這端，人和腸道微生物的基因怎麼決定對食物的喜好和消化吸收？為了解決這個，未來把這兩個端連結起來，必須要有五個大數據。一個是食物的基因組跟代謝組，在消費端呢，則是個人基因組，腸道宏基因組和血液代謝組。我們血液裡面能夠分析出3000種物質。代謝疾病可以通過血液分析得到，當然還需要努力。」
演講延伸要點如下：
1.願景：深圳食品谷成為未來農業和食品科學的創新中心
2.秘訣：組學大數據推動個性化食品建構
3.瓶頸：茶樹的基因調控研究不足，科研經費限制，再生體系的構建困難
以下是演講實錄：
蔬菜行業對於鄉村振興非常重要，種植面積達到3.5億畝，產值2萬億元，出口132億美元，就業人員1億，全國農民人均純收入2000元一年（農業部2016年數據）。但是蔬菜的遺傳基礎很多薄弱，為了改變這一點，過去十多年，中國農科院和國外的專家一起，完成了主要蔬菜的基因組測序。我們黃瓜是2009年完成的，蔬菜裡的第一個。
黃瓜的苦味有開關
我們完成了115份黃瓜，360份番茄，318份白茶/甘藍（王曉武），1175份甜瓜，414份西瓜，發現了數以百萬記，千萬記的SNP（單核苷酸多態性，造成物種之間染色體基因組的多樣）。
有了這個數據我們怎麼樣用於蔬菜育種呢？我相信大家也正在產生大量的茶葉數據。下面我給大家舉幾個例子，分別是黃瓜，番茄跟馬鈴薯。
黃瓜，我們在想育種的時候如何兼顧抗性與品質？一般大家都會認為，好吃的不抗病，抗病的不好吃，是吧？尚軼和張忠華是我的合作夥伴。張忠華最近去青島農大當院長去了，尚軼去雲南師範大學當院長去了。在這方面，我們研究的是黃瓜的苦味物質。葫蘆素C這是一個三萜類的次生代謝產物，在果實裡面積累，影響品質和生產效益。在葉片裡面積累可以提高抗蟲性。這是一個典型的品質與抗性的矛盾。
通過基因組分析，我們發現了葫蘆素合成的基因簇，這個簇包括9個基因（1個氧化角鯊烯環化酶+7個P450+1個乙醯基轉移酶）。是一個協同表達的模式。通過酵母工程菌，我們進一步解析了四步代謝通路。分子生物學，離不開突變體，茶樹可能產生突變體比較困難。事實上，我們很多茶葉的新品種也是芽變（像黃化的品種），芽變也相當於突變體。
為了研究黃瓜的苦味物質，我們種了20畝地，60000株黃瓜，180000次品嘗，我們才找了2個突變體。當然也是在我長期的合作夥伴的配合和支持下。最後我們發現了兩2開關基因。
上面的9個酶基因，相當於是一個生產線上的9個機械臂一起來組裝一個葫蘆素C。這裡面2個開關基因，1個是葉片的，他能直接結合在9個基因的啟動子上面，激活這9個基因的表達。把不苦的葉片變成苦的，達到抗蟲的效果。另外果實裡面，還有這樣1個開關基因。把不苦的黃瓜果實變成苦的。這是我們首次揭示了植物次生代謝基因簇精確調控的分子機制。也說明黃瓜的苦味受到了雙層調控。最終我們揭示了黃瓜苦味形成的雙重調控。
那我們現在知道了，要把葉片的開關打開，要把果實的開關關閉。這樣既抗蟲也不影響品質。所以這個問題就解決了。整個科研成果就包括黃瓜的基因組，變異組，苦味機理，包括後期的品種開發。
上帝的手真的存在，科技讓消費者創造了可口的番茄？
我們怎麼才能吃到小時的番茄？風味是怎麼形成的？印象中小時候的番茄很好吃，現在越來越沒味。我們問了幾個問題。
問題1：育種如何改變番茄的基因組？
這是番茄育種的基因組簡史，它從很小的野生番茄（1~2克），馴化成中型的（擴大10倍），再改良後變成大番茄（擴大10倍）。這個過程中番茄變大了100倍。然後它又分化成不同的形狀。然後為了提高抗病性，還導入了10%的抗病基因。這些過程都特別有用。
問題2：育種如何改變番茄的代謝產物？
我們大概做了植物學裡面第一個多組學分析。我們做了400多個基因組+轉錄組+代謝組，把這個三個數據綜合起來。一共發現了13361個代謝產物的含量跟SNP的基因表達有關係。我們發現了20%代謝產物與果實變大有關係。其中一個果實重量基因跟55種代謝產物有關係，但是它不控制代謝。而是它旁邊的基因（搭車基因）控制代謝。
問題3：怎麼才能培育美味的番茄？
這個我們和美國科學院院士Herry Klee教授（番茄育種專家）很認同的一點就是：讓消費者參與育種。這個風味，每個人的體驗不太一樣，怎麼去尋找風味？就像品茶每個人不一樣。怎麼讓消費者參與到育種這個環節來？
首先我們，需要明確風味物質的組成是什麼？我們測了400份番茄的68種可能風味物質。請了170位專家給78份番茄打分。這個工作跟茶葉一樣，茶葉裡應該做過。有一點不同的是，茶葉裡需要找對茶味敏感的，能夠區別其中差異的人。然後，把前面兩者數據結合起來，建立風味統計模型。然後通過突變體來驗證模型。
發現了揮發性物質是風味的主要成分。這個過程是通過2個器官感覺的綜合，一個是口腔裡味覺受體，一個是鼻腔裡面有200多個受體。甜的風味不單是糖，揮發性物質也能類似的感受。我們一共發現了33種揮發性物質（2種糖，2種酸，29種小分子揮發性物質）。我們發現在番茄果實變大的過程中，含糖量整體是降低的。也克隆了其中兩個主要位點控制了含糖量的基因。
然後發現3—甲基丁醇能夠增加果實的甜感。這個物質特別重要，當然還不光是這個物質增加果實的甜感。意味著什麼呢？意味著我們可以把番茄變得很甜，卻不含太多糖。同樣的可以用在西瓜、甜瓜裡。像糖尿病，我們中國現在有1個多億的糖尿病人。多吃一塊西瓜跟甜瓜，跟以增加一下維生素，纖維素，礦物質。這些對人體有益。關於酸方面，蘋果酸希望少一點，檸檬酸希望多一點，我們找到了可以控制的基因。
第三個呢，是番茄還有一種特殊的番茄味道。香氣物質的這個基因我們已經找到了。所以最後我們形成了這樣一個菜單，什麼物質應該增加，什麼物質應該降低，用哪個基因調控？用這個菜單來調控美味番茄的形成。除了糖之外，我們還關注揮發性物質，只要微量或恆量，就可以改變風味，增加其含量對產量潛在影響小，它們是風味改良的主要目標！這個文章也是受到了很多的關注，也是在風味育種裡面大的突破。提供一種思路吧，尤其是要讓消費者參與，我覺得是可以在茶樹裡面嘗試。
馬鈴薯的創新工作
現在正在做的，是馬鈴薯的育種。馬鈴薯被作為主糧在安第斯山脈上有1000多年了，大概傳到我們國家是明朝的末年。明朝我們大概有1億人，到了清朝我們就大概有4億人。這裡面跟幾個作物關係很大，一個是馬鈴薯，一個是紅薯，一個是玉米，都是從南美引進的。
馬鈴薯有兩個挑戰，第一個是同源四倍體，基因組高度雜合，遺傳突變非常複雜，育種很困難，新品種選育周期一般是10~15年。茶葉估計也是很長。水稻品種大概3~5年就換一次，番茄也一樣。1902年的汽車到現在已經是無人駕駛。1902美國的馬鈴薯主要品種Russet Burbank，現在還是（全場笑）。不是說這個品種是無敵的，它基本對所有的病害都有反應。但是，它就是特別適合於炸薯條，麥當勞的薯條，基本全是這個品種。
第二個特點呢，它是塊莖繁殖。繁殖係數低。種一顆塊莖得到10顆。用種成本高，我們進行「優薯計劃」，用了基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產業的綠色革命，即用二倍體雜交育種來替代同源四倍體。利用實生種替代塊莖。對馬鈴薯育種跟繁殖方式，進行顛覆性創新。創新兩個，一個是二倍體，大家可能沒見過馬鈴薯的果實，跟野生番茄差不多。馬鈴薯的種子比芝麻還要小，體積相當於芝麻的六分之一，每畝地只需要2克種子。所以我們想在非洲，冬天可以種馬鈴薯，就像我們南方冬天一樣。但是非洲太熱了沒法生產種薯，我如果從內蒙古運過去，要多少？1000萬噸~2000萬噸的量。但是種子啊，只需要100噸種子，一趟飛機就搞定了。
這有需要克服的五大難關。
第一是解碼，破解馬鈴薯雜合基因組，首先要測序馬鈴薯的基因組，2011年我們測了馬鈴薯單倍體30000多條，二倍體的話是70000多。我們發現這兩條染色體間的多樣性是非常高的，3%以上。大家知道人的多樣性是多少嗎？千分之一。咱們任何兩個人之間，除了親屬，在常染色體的變異是0.1%。在人和猩猩之間是2%。但是在馬鈴薯兩套二倍體之間是3%。我們發現了26000個有害變異，均勻分布在2條染色體之間。這說明什麼？說明無法通過重組淘汰所有的有害序列。這給我們工作增加了很多難度。
第二是變異。我們收集了400份馬鈴薯的品種，把它全部測出來。獲得6400萬個SNP，發現了一個祖先品種。二倍體馬鈴薯有著極其豐富的變異。事實上，自然界中70%的馬鈴薯都是二倍體，沒有被利用。
第三個是自交。其實二倍體馬鈴薯有個問題。它不能自交，主要是因為S-RNase基因。那我們把它找到以後，敲除了，打破了自交不親和。我們發現了自交不親和的自然突變體。打破自交不親和為培育自交系打下基礎。
第四個是優選。就是淘汰掉衰退的基因。這是一個F1，就是一個雜合的基因組。它自交的後代產量都是受到了自交衰退的影響。這就是人為啥不能近親結婚的原因，有害基因可能就純合了。大部分有害突變是個體化的。任何兩個個體間，平均只有11%的有害突變是一樣的。說明什麼呢？說明大部分的有害突變可以通過選擇不同親本給屏蔽掉。我們也發現了很多的自交衰退基因。
我們也發現大效應的自交衰退基因多數位於端粒區域。所以我們正在開發一套流程，來培養自交系，當然在此之前我們都有害基因定位出來。我們從1000個基因裡面選擇了86個。接著後面的自交，整個長勢很好。五星的自交系，應該是怎麼樣的？能自交+育性好+早熟+薯塊成長好+黃肉。我們還在做很多的育種。正在淘汰大效應的不利等位基因，培育第一代自交系。預計明年到後年會出來幾十個自交系。
第五個是雜交。左邊是母本，右邊是副本，中間是F1，雜交有時非常強，為了快速推動這個工作，我們選擇了雲南。它跟安第斯山脈氣候很接近，一個在南緯，一個在北緯。雲南是馬鈴薯的第二故鄉，一年四季均可種植馬鈴薯，也有人說優薯計劃是否可行，隨著倍數的降低，它薯塊越來越小。我們的二倍體並不是傳統意義的二倍體，我們是想通過設計，把原來二倍體好的基因組合在一起，不好的基因拿掉，我們的二倍體應該在四倍體和二倍體之間。在番茄裡面，大概選擇20個基因就可以把產量翻100倍。我們相信我們有足夠的知識可以把馬鈴薯二倍體的產量也提高。
農業的未來
我們也在思考，什麼是農業的未來？我們覺得是以可持續的方式供給個性化食品，每個人基因都不一樣。每個人對茶的喜好不一樣。是吧，廣東人很少喜歡喝綠茶，他們喜歡喝英紅九號。福建人喜歡喝的又不一樣。江浙人喜歡喝綠茶，北京人喜歡茉莉花。回到我們農民，常問的問題是今年種什麼？種完賣給誰？消費端的問題是吃什麼最好？在哪裡買到？實際上，我們農業生產到消費之間是有巨大的鴻溝。
我們還有兩個重要的科學問題。一個在食物裡面，食物的營養風味是由哪些物質和基因決定的？番茄裡面得到了一些初步的解答，在水稻裡面也有一部分解答。茶葉裡面有一些物質的解答，但是呢基因可能還不知道。另外一個科學問題，在我們人這端，人和腸道微生物的基因怎麼決定對食物的喜好和消化吸收？為了解決這個，未來把這兩個端連結起來，必須要有五個大數據。一個是食物的基因組跟代謝組，在消費端呢，則是個人基因組，腸道宏基因組和血液代謝組。我們血液裡面能夠分析出3000種物質。代謝疾病可以通過血液分析得到，當然還需要努力。
把這些連起來，我們就獲得了個性化食品。為了推動個性化食品，我們在深圳推動了一個叫粵港灣大灣區的食品谷。目前啟動71萬平方米，未來規劃可能更大。這裡，我們希望把科學家，企業家還有公益組織放在一起。大家一起來創新。這裡希望成為未來農業和食品科學的創新中心。
食品谷構想來源
整個食品谷的構想，受到了以他留學過的荷蘭瓦赫寧根大學和研究中心為核心的荷蘭食品谷的啟發。這個地區聚集有大量國際頂級的跨國食品公司、科研院所和15000名活躍在食品相關專業的技術人員。但更多的是參與食品製造的公司，從而形成引領國際食品行業的知識和科研中心，是荷蘭食品及營養研究集群的所在地。荷蘭食品谷與矽谷的模式類似，被認為是當今世界上最大的食品營養研發集群。
「借鑑荷蘭的經驗，深圳有條件實現政府、企業、科學家的『黃金三角關係』，讓科研成果真正為經濟發展貢獻力量。」黃三文說，深圳食品谷將採取共建方式，多所高校、科研院所和食品龍頭企業已經表示了加盟願望。