來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2016年10月12日
王曉武在實(shí)驗(yàn)室工作。
《自然·遺傳》雜志的封面報(bào)道 中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所供圖
白菜在我國(guó)是非常重要的蔬菜作物。蔬菜作物中，大白菜是我國(guó)種植面積和總產(chǎn)量最大的，年種植面積達(dá)3900萬(wàn)畝，產(chǎn)量198萬(wàn)噸，超過(guò)我國(guó)蔬菜總種植面積的13%，總產(chǎn)量的近20%，在保障蔬菜供應(yīng)方面具有特殊的地位。
白菜和甘藍(lán)類蔬菜是百姓餐桌上最常見的蔬菜。兩類蔬菜發(fā)展到現(xiàn)在都形成了豐富多樣的類型，并且原本看起來(lái)并沒有聯(lián)系的兩個(gè)物種，卻都能形成葉球或者膨大根（莖）這樣非常相似的性狀。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？這是長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家的一個(gè)謎題。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員王曉武帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6年的研究，終于破解了白菜類和甘藍(lán)類蔬菜作物馴化的秘密。日前，《自然·遺傳》以封面文章的形式發(fā)表了這一成果。
研究始于興趣
與糧食作物不一樣，蔬菜作物有一個(gè)很重要的特點(diǎn)：產(chǎn)品多樣性非常大。“蔬菜的根、莖、葉、花和果實(shí)等器官都可能成為收獲的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品器官經(jīng)常很不一樣。產(chǎn)品器官類型非常豐富，無(wú)論是從形狀、形態(tài)還是顏色等，變化特別多，所以我們拿蔬菜來(lái)作研究有其獨(dú)特性。”王曉武在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表達(dá)了自己對(duì)蔬菜領(lǐng)域的熱愛。
雖然吃的是同一種作物，卻存在很大差別。比如白菜類蔬菜，常見的有大白菜、小白菜、蕪菁、菜心；甘藍(lán)類蔬菜，常見的則包括結(jié)球甘藍(lán)、苤藍(lán)、羽衣甘藍(lán)、芥藍(lán)、花椰菜、青花菜、孢子甘藍(lán)等。
作為蔬菜，它們?yōu)槿祟惖纳钐峁┝素S富多樣、類型各異的產(chǎn)品。無(wú)論是白菜還是甘藍(lán)，即使是同一個(gè)種，產(chǎn)品器官差異也特別大。
兩個(gè)物種為什么能被馴化出如此多樣的類型一直是一個(gè)待解的難題，這讓科學(xué)家對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。“我們希望通過(guò)研究來(lái)搞清楚，為什么同樣一種作物能夠分化出這么多各種各樣的差別特別巨大的蔬菜類型。”王曉武說(shuō)。
除此之外，還有另外一個(gè)原因吸引著研究團(tuán)隊(duì)。
“雖然是不同的蔬菜作物，但可以產(chǎn)生非常相似的蔬菜產(chǎn)品。”王曉武表示，比如白菜有結(jié)球的白菜，甘藍(lán)也有結(jié)球的甘藍(lán)，它們的球也是很相似的葉球，“不同的物種產(chǎn)生了非常相似的產(chǎn)品器官”。
更加有意思的是，它們又是在完全不同的地域、由不同文化背景的人、在不同的時(shí)段獨(dú)立地被選擇出來(lái)的。
兩千年前，歐洲人將白菜馴化出根膨大的蕪菁；500年前，中國(guó)人將白菜馴化出結(jié)球大白菜，歐洲人將甘藍(lán)馴化出結(jié)球甘藍(lán)；500年前，歐洲人將甘藍(lán)馴化出莖膨大的苤藍(lán)。
“這就是科學(xué)上非常有意思的趨同馴化的現(xiàn)象。”王曉武說(shuō)。
綜合這些原因，王曉武覺得這是一個(gè)非常值得研究的方向，所以研究團(tuán)隊(duì)選擇了白菜和甘藍(lán)這兩類特定的作物，選擇了結(jié)球和根（莖）膨大作為研究的性狀來(lái)開展工作。
開發(fā)新算法探索“無(wú)人區(qū)”
開展這樣的研究，團(tuán)隊(duì)投入了很多精力去做準(zhǔn)備工作。因?yàn)樾枰獪y(cè)序大量材料，他們?nèi)ニ鸭耸澜绺鞯剡z傳資源材料。
獲得這些材料之后，“還有一個(gè)關(guān)鍵性工作，我們不希望測(cè)完的序列和獲得的資源材料沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以還做了大量資源材料純合的工作。”王曉武介紹。
此外，為了把白菜和甘藍(lán)類蔬菜的性狀調(diào)查清楚，研究團(tuán)隊(duì)每年都在田間種植下大批實(shí)驗(yàn)材料。每到調(diào)查的季節(jié)，所有團(tuán)隊(duì)成員都在地里做大量的調(diào)查分析工作。“白菜收獲的季節(jié)已經(jīng)很冷了，因?yàn)椴牧蠑?shù)量多、工作量大，科研人員兩手凍得發(fā)抖了還在地里切白菜。”王曉武回憶。
所有的研究環(huán)節(jié)里都有一個(gè)很重要的問(wèn)題，涉及了大量的基因組數(shù)據(jù)分析。“這項(xiàng)工作中，我們探索的方向都是蕓薹屬作物自己特有的特異性問(wèn)題，做分析過(guò)程中沒有現(xiàn)成的工具，很多都是‘無(wú)人區(qū)’，這意味著分析的每一步都是新研發(fā)的工作，需要開發(fā)新的算法。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所副研究員程峰在參與其中時(shí)深深地感到了研究之困難。
基因組數(shù)據(jù)本身就是一種海量的數(shù)據(jù)。“因?yàn)槭情_辟一個(gè)新的問(wèn)題，在做分析的時(shí)候很耗費(fèi)時(shí)間，我們不斷地調(diào)整算法、調(diào)整參數(shù)、開發(fā)算法工具等。每重新算一遍，其周期都比較長(zhǎng)，投入了很多時(shí)間和精力去做這個(gè)事情。”程峰在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)感慨著成果的來(lái)之不易。
“特別是白菜作物有個(gè)非常特殊的情況，里頭很多的基因經(jīng)過(guò)了重復(fù)，相似性非常高，我們需要開發(fā)一些算法把這些既相似又不相同的基因區(qū)分開來(lái)。這里面有很多原來(lái)傳統(tǒng)研究里沒有的基因組分析工具，需要我們發(fā)掘出很多原來(lái)沒有的算法。”王曉武表示，最后的成果與他們新的算法以及大量的資源材料是分不開的。
具有重要的現(xiàn)實(shí)意義
研究團(tuán)隊(duì)完成了白菜和甘藍(lán)類蔬菜作物代表材料的基因組重測(cè)序，構(gòu)建了白菜和甘藍(lán)類蔬菜的群體基因組變異圖譜。在充分利用模式物種擬南芥基因組豐富的基因信息基礎(chǔ)上，分別確定了一大批白菜和甘藍(lán)葉球形成與膨大根（莖）馴化選擇的基因組信號(hào)與相關(guān)的基因。
研究獲得了白菜和甘藍(lán)類蔬菜作物全基因組的大量變異，確定了一批與白菜類和甘藍(lán)類蔬菜葉球形成和根（莖）膨大有關(guān)的重要基因，為加快白菜類與甘藍(lán)類蔬菜分子育種奠定了重要基礎(chǔ)。
研究還發(fā)現(xiàn)白菜和甘藍(lán)這兩個(gè)物種分別產(chǎn)生結(jié)球白菜和結(jié)球甘藍(lán)，蕪菁和苤藍(lán)這樣具有相似的產(chǎn)品器官的現(xiàn)象與其共同祖先的一次全基因組三倍化事件有關(guān)。
專家表示，這是第一次非常系統(tǒng)地通過(guò)基因組的分析，搞清楚了和葉球形成有關(guān)系的基因，也搞清楚了和根（莖）膨大有關(guān)系的基因。
這是生物學(xué)里非常普遍而重要的問(wèn)題。通過(guò)這項(xiàng)工作，科研人員破解了背后基因組變化的規(guī)律，對(duì)于將來(lái)理解其他性狀的形成，包括其他作物類似性狀的形成都有很大的幫助。
其中還有一個(gè)關(guān)鍵的成果，就是科學(xué)家通過(guò)基因組分析，建立了一套全新的方法來(lái)研究結(jié)球的性狀、根（莖）膨大的性狀。“整個(gè)方法都是很新的、比較獨(dú)特的，這套方法也可能用到其他作物的結(jié)球性狀，或者白菜和甘藍(lán)的其他性狀的研究里。建立的這套通過(guò)馴化比較分析的方法，對(duì)于其他研究也有很大的幫助意義。”王曉武說(shuō)。
“確定了這些基因，對(duì)于將來(lái)培育葉球性狀更好的白菜和甘藍(lán)提供了非常好的基礎(chǔ)。將來(lái)我們可以把結(jié)球的基因?qū)氲讲唤Y(jié)球的材料里，讓不結(jié)球的白菜變成能結(jié)球的白菜。”王曉武說(shuō)。
在育種過(guò)程中經(jīng)常遇到一個(gè)問(wèn)題，比如有一個(gè)抗病的基因在不結(jié)球的材料里，如果想把它導(dǎo)入到結(jié)球的白菜里，同時(shí)還要保證結(jié)球的性狀不能丟失，這就十分困難。
“現(xiàn)在，我知道哪些基因參與了結(jié)球，那在導(dǎo)入過(guò)程中，我可以盡可能地通過(guò)標(biāo)記追蹤這些基因讓它保存下來(lái)。”王曉武表示，有了這些基因后，對(duì)于培育結(jié)球的白菜、結(jié)球的甘藍(lán)等都有很重要的意義，對(duì)育種有非常大的幫助，“甚至在完全摸清基因的功能后，將來(lái)我們還可以改造基因、對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行設(shè)計(jì)等。”
