大數(shù)據(jù)揭示黃瓜苦味從何來_數(shù)據(jù)分析師

“基因組數(shù)據(jù)的爆炸性增長是在2009年以后，我們是從2007年開始實施黃瓜基因組計劃的，應(yīng)該說我們作出了正確的決策，徹底改變了2005年時蔬菜基因組國際競爭的局面?！?月24日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所研究員、深圳農(nóng)業(yè)基因組所副所長黃三文在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院舉行的農(nóng)科講壇上，向聽眾講述他和團隊破譯黃瓜基因組的故事。

　　為了探究黃瓜基因組大數(shù)據(jù)背后所代表的生命信息，黃三文帶領(lǐng)團隊歷時5年，分析黃瓜24000多個基因的變異和表達特征，逐個品嘗20畝黃瓜地中的6萬株黃瓜葉片和果實的味道，從一噸葉片中純化了毫克級的代謝中間產(chǎn)物。最終他們發(fā)現(xiàn)了黃瓜苦味的調(diào)控機制。

　　2014年11月28日出版的《科學(xué)》雜志以封面長篇論文形式發(fā)表了黃瓜苦味生物合成與調(diào)控的研究成果，揭示了黃瓜變苦的基因之路，這也是近幾年來《科學(xué)》《自然》和《自然—遺傳學(xué)》雜志第8次報道黃三文團隊的成果，對于我國蔬菜生物學(xué)研究是一次質(zhì)的飛躍。

　　沉寂四年：從馬鈴薯轉(zhuǎn)戰(zhàn)黃瓜

　　從2005年應(yīng)邀回國，直到2009年，黃三文課題組在《自然—遺傳學(xué)》雜志上發(fā)表黃瓜全基因組的文章，整整四年，黃三文的名字在國際學(xué)術(shù)期刊界是沉寂的。

　　2005年，時任農(nóng)科院副院長的屈冬玉研究員和蔬菜花卉所所長的杜永臣研究員，邀請在荷蘭瓦赫寧根大學(xué)獲得博士學(xué)位的黃三文回國，到蔬菜所生物技術(shù)室成立了功能基因課題組。

　　經(jīng)過多方努力，憑借在荷蘭的科研經(jīng)歷，課題組一成立就如愿參與了由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)發(fā)起的大型國際合作項目——國際馬鈴薯基因組計劃，這也是我國參加的第一個蔬菜基因組國際計劃。黃三文作為中方首席科學(xué)家負(fù)責(zé)項目的組織和執(zhí)行。

　　然而計劃實施不久，擺在科研人員面前的“三座大山”就擋住了去路：被測試的馬鈴薯品種基因組高度雜合，拼接難度大；物理圖譜質(zhì)量低，項目進度嚴(yán)重拖延；傳統(tǒng)測序方法成本太高，而且按染色體分工的合作方式，很難被協(xié)調(diào)統(tǒng)一掌控。

　　“我回國兩年基本沒有取得什么進展，壓力很大，怎么辦？”讓黃三文感到幸運的是，2006年初新一代測序技術(shù)浮出水面?！斑@就像北京市的房價降到了5塊錢一平方米，那買房子就不成為大家經(jīng)濟上的困難了?！秉S三文意識到，傳統(tǒng)的測序技術(shù)將退出歷史舞臺。

　　黃三文敏銳地捕捉到這一契機，他向杜永臣提出書面建議，闡述了我方主導(dǎo)完成項目的必要性，為帶動我國蔬菜基因組學(xué)研究的快速發(fā)展搶占先機。為了提高成功的可能，他決定先從基因組較小的黃瓜開始。

　　“黃瓜基因組比較小，約3.3億個堿基對，是設(shè)施栽培第一大蔬菜作物，其遺傳基礎(chǔ)狹窄，遺傳研究基礎(chǔ)差，易突出基因組序列的作用，育種基礎(chǔ)好，資源累計較多，可以作為瓜類作物的模式系統(tǒng)。”黃三文是這樣解釋選中黃瓜的原因的。

　　于是，國際黃瓜基因組計劃在蔬菜所自籌經(jīng)費而生。他們提出“運用新一代基因組技術(shù)，挖掘蔬菜作物的遺傳潛能”，參加者有華大基因、中國農(nóng)大、北京師大和國外若干單位。他們大膽采用了Solexa（Illumina）最新測序技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的測序手段、全基因組鳥槍法測序策略等，并按照工作內(nèi)容分工，形成了遺傳圖譜團隊、基因組文庫團隊、熒光原位雜交團隊、拼接測試團隊、分子育種團隊等，蔬菜所研究人員加入各個團隊，邊學(xué)習(xí)、邊督促。

　　雪藏一年：黃瓜全基因組一鳴驚人

　　其實2008年時，黃三文課題組就已得到了可靠的黃瓜全基因組數(shù)據(jù)，并構(gòu)建了世界上第一張黃瓜高密度圖譜。但黃三文并沒有著急發(fā)表成果，而是著眼于這一成果的應(yīng)用，思考更加廣闊的研究道路。雪藏一年后，他們才把成果投到《自然—遺傳學(xué)》雜志上，并一鳴驚人。

　　2006年時的二代測序技術(shù)還比較原始，比如現(xiàn)在的測序長度可達到250個堿基對，甚至400個堿基對，而當(dāng)時測序長度只有35個堿基對。于是，他們采取了新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的方法，很快就繪制了高質(zhì)量的黃瓜基因組框架圖。單堿基錯誤率只有十萬分之一，拼接總長達2.4億個堿基對。

　　黃三文團隊從頭構(gòu)建了黃瓜的遺傳研究體系，包括高密度的連鎖遺傳圖譜、細胞遺傳學(xué)圖譜、比較遺傳圖譜、遺傳—物理整合圖譜，定位了99%的黃瓜基因。

　　這一成果作為世界上第一個蔬菜基因組，發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》上。該雜志高度重視這一成果，不僅作為封面文章，還配發(fā)社論。在這期雜志封面上采用了達爾文的頭像，因為達爾文曾經(jīng)寫過一本書，里面很多內(nèi)容是瓜類的，特別是黃瓜和南瓜的研究。

　　隨后幾年，黃三文課題組累計產(chǎn)生了10×1012（10Tbps）個堿基對的大數(shù)據(jù)。除了基因組以外，他們還研究了黃瓜的轉(zhuǎn)錄組，對100多個不同的黃瓜材料進行了測序，了解了黃瓜24000多個基因的表達模式，如在什么地方表達，在什么時期表達，在什么條件下表達，這些都是重要的信息。

　　為了系統(tǒng)掌握黃瓜的變異，他們收集3342份黃瓜種質(zhì)資源，包括印度野生種、我國西雙版納種、華北黃瓜、華南黃瓜、日本黃瓜、土耳其黃瓜、歐洲黃瓜和美國黃瓜等。通過對所有資源進行基因組分析，最后篩選出115份核心資源，代表75%的遺傳多樣性，進行了18倍深度測序，最后發(fā)現(xiàn)接近400萬個變異位點。

　　利用這些數(shù)據(jù)，他們解析了黃瓜群體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)黃瓜有4個群體：一個是在印度的野生群體；三個栽培群體，分別是東亞黃瓜、歐洲黃瓜和西雙版納黃瓜。黃瓜是在印度被馴化的，變異組數(shù)據(jù)很符合一個史實：約2200年以前張騫出使西域時黃瓜被引入中國華北。

　　“有了基因組以后，就有了‘共同語言’，我們可以把模式物種里面的知識翻譯到農(nóng)業(yè)物種里面來；基因組是‘歷史書’，有了變異組數(shù)據(jù)，我們可以重新去揭示改良馴化；基因組是‘地圖勘探圖’，利用它，我們可以進行黃瓜苦味的生物合成、調(diào)控與馴化?！秉S三文說。

　　潛心五年：破譯黃瓜苦味來源

　　在黃三文看來，基因組測序完成只是一小步，對海量數(shù)據(jù)的處理與運算才是更為重要的事情。

　　利用這些組織學(xué)資源，黃三文課題組發(fā)現(xiàn)了清香形成和苦味形成的侯選基因，特別是苦味形成的侯選基因發(fā)現(xiàn)為后來研究起到了重要的作用。

　　黃瓜的苦味是葫蘆素造成的，這種苦味在果實中存在會影響品質(zhì)和生產(chǎn)效益，但在葉片中存在能提高抗蟲性，減少農(nóng)藥施用；同時，葫蘆素是有希望的抗癌藥物，但生產(chǎn)難度大。因此，“苦味很重要?！秉S三文說。

　　但是他們只有兩個線索。

　　一是2009年發(fā)現(xiàn)的染色體6上的Bi基因；二是2013年發(fā)現(xiàn)的染色體5上的Bt基因，這個基因是黃瓜馴化的主要基因。

　　但Bi和Bt是什么基因？苦味物質(zhì)是怎么合成和調(diào)控的？野生黃瓜是怎么馴化的？為了回答這些問題，黃三文課題組的策略是大數(shù)據(jù)與分子生物學(xué)和生物化學(xué)。

　　通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，他們發(fā)現(xiàn)Bi就是催化氧化形成四環(huán)的葫蘆二烯醇合酶的基因；隨后又通過突變體發(fā)現(xiàn)了BI基因，其負(fù)責(zé)調(diào)控葉片的部位；利用BI他們又發(fā)現(xiàn)了Bt；利用BI和Bt發(fā)現(xiàn)了另外8個合成基因。

　　這個過程，傳統(tǒng)研究方法需二三十年才能完成，用大數(shù)據(jù)分析方法卻在5年內(nèi)做到了。

　　黃三文介紹，這項研究有三個意義：揭示了黃瓜苦味形成的雙重調(diào)控機制，葉片里面由BI調(diào)控，果實里面由Bt調(diào)控，這樣就給無苦味黃瓜育種提供了新的方案；證明了存在一類主開關(guān)基因能夠直接調(diào)控次生代謝基因簇；為通過合成生物學(xué)批量生產(chǎn)和改造葫蘆素用于抗癌藥物打開了一扇門。

　　這恰恰驗證了黃三文的“三層樓”黃金理論，即地基是基因組大數(shù)據(jù)，通過多學(xué)科交叉融合，搭建三層樓：第一層是基因組大數(shù)據(jù)與蔬菜生物學(xué)，第二層是基因組大數(shù)據(jù)與蔬菜育種，第三層是基因組大數(shù)據(jù)與蔬菜品質(zhì)和營養(yǎng)?！叭龑訕恰苯梃b了人類基因組項目首席科學(xué)家Francis S. Collins的“基因組學(xué)時代的藍圖”的思想。

　　在黃瓜基因組計劃取得成功后，黃三文和團隊又攻克了馬鈴薯、白菜、番茄和西瓜基因組，并在黃瓜和番茄變異組研究上也取得突破，為我國蔬菜基因組研究鋪就了結(jié)實的“地基”。像解決黃瓜的苦味生物學(xué)問題一樣，他們還和其他團隊合作，正在闡明多個農(nóng)藝性狀的分子機理，這都將為蔬菜全基因組設(shè)計育種提供知識基礎(chǔ)。“我相信不久的未來，基因組學(xué)研究能為大家吃上‘放心菜’做出具體的貢獻”。