“吃黄瓜快吃到瓜蒂时，往往会变得非常苦。关于黄瓜苦味问题，科学家一直没找到原因。”中国农科院蔬菜花卉所研究员、深圳农业基因组所副所长黄三文高兴地说，“经5年努力，我们终于找到了合成苦味物质葫芦素c的9个基因，也找到了调控黄瓜苦味的两个‘主开关’。”

    今年11月28日出版的《科学》杂志以长篇论文形式发表了该成果，这也是近5年来《科学》《自然》和《自然遗传学》杂志第8次报道黄三文团队的成果，标志着经数十年努力，我国蔬菜基因组学研究实现了从“跟跑”向“领跑”的转身。

    “次生代谢产物大多植物用来抵抗病虫害的武器。确实有‘主开关’调控次生代谢基因簇，这是植物科学的一个重要发现。”

    感受农业科技的魅力

    作为洞庭湖边、汨罗江畔的一名农家子弟，选择农业是缘于黄三文年少的一件事。20世纪80年代，他家种植了袁隆平培育的杂交水稻后产量翻了一番。农业科技的魅力使他报考了北京农业大学，并爱上了植物育种学。

    1996年，黄三文如愿来到中国农业科学院从事蔬菜遗传育种研究。经学习和实践，黄三文基本掌握了蔬菜常规育种的技术流程，也逐步认识到这种以表型为选择对象的常规育种方法存在着育种效率低、数量性状改良难度大等缺陷。当时分子标记技术在国内蔬菜育种研究中尚未应用，他大胆地采用RAPD（随机扩增多态性DNA）标记方法分析了辣椒育性恢复性状，发现了与主效恢复基因连锁的RAPD标记，并发表了第一篇SCI论文，成功申请了一项国际科研项目。

    2000年9月，研究所推荐他前往荷兰瓦赫宁根大学攻读博士学位，导师是瓦赫宁根大学植物育种系主任Evert Jacobsen教授。晚疫病是马铃薯第一大病害，瓦赫宁根大学当时开展抗病基因克隆工作已有10年，尚未取得显著进展。通过深入思考，黄三文认为失败的主要原因是克隆基因方法存在问题。他精心准备了一封信，向导师提议应采取更可靠的图位克隆法。导师欣然采纳了他的建议，让他放手去做。

    没有基因组图谱，图位克隆基因仍是一项非常艰巨的工程，为此黄三文全身心投入了工作。别的学生每天工作8小时，他工作12小时以上；周末对荷兰学生来说是雷打不动的休息时间，对他是利用实验室仪器的大好时间。经过长时期、高强度的努力工作，他成功地克隆了一个重要抗病基因R3a，并与英国科学家合作克隆了R3a识别的晚疫病菌无毒基因Avr3a。如今R3a-Avr3a这一分子互作系统已成为马铃薯—晚疫病菌研究的模式体系。黄三文也因其博士期间的突出表现获得了2004年度“国家优秀留学生奖学金”。

    从跟跑者到领跑者

    2005年2月4日，中国农科院蔬菜花卉研究所生物技术室成立了功能基因课题组。课题组一成立就参与了由荷兰瓦赫宁根大学发起的大型国际合作项目——国际马铃薯基因组计划，这也是我国参加的第一个蔬菜基因组国际计划，后来共有14个国家28家科研机构参加了该计划。黄三文作为中方首席科学家负责项目的组织和执行。

    计划实施不久，研究就面临严重困难，主要是在测序策略上采用了依赖传统测序技术、高质量物理图谱的技术方案；在合作方式上采用按染色体分工策略，使项目进度很难掌握。

    2006年，新一代DNA测序技术开始浮出水面，虽然当时尚无利用新技术对大基因组进行从头测序的先例，但黄三文敏锐意识到新一代DNA测序技术为蔬菜基因组计划带来的机会，也认识到基因组学对园艺学科基础研究整体提升的重要意义，他经过深思熟虑后向研究所提出了书面建议，认为必须发起我方主导的计划，来带动我国蔬菜基因组学研究的快速发展。

    2007年，蔬菜花卉所自筹经费发起国际黄瓜基因组计划，大胆采用最新测序技术与传统技术相结合的测序手段、全基因组鸟枪法测序策略等。由于采取了正确的测序策略和高效的组织方式，计划进展顺利，其研究成果在2009年11月的《自然—遗传学》（Nature Genetics）上作为封面文章发表。这是第一个蔬菜作物全基因组分析论文，也是我国园艺界第一次在高影响因子的国际学术期刊上发表论文。

    尽管黄瓜基因组研究获得重大突破，但到2008年上半年，马铃薯基因组计划进度仍然缓慢，于是，黄三文下决心另辟蹊径，采用单倍体材料、全基因组鸟枪法策略和新一代DNA测序技术，于2009年初完成了单倍体马铃薯全基因组序列图的绘制，并初步阐明了马铃薯自交衰退的基因组学机理并发现一批与马铃薯块茎发育相关的基因。

    在2009年3月爱尔兰会议上，大家决定把所有资源集中在中方组织的单倍体马铃薯测序计划上来。2011年7月《自然》杂志以封面长篇幅论文发表了马铃薯基因组分析的成果，被两院院士评为2011年度“世界十大科技进展新闻”。美国植物基因组专家认为，“马铃薯基因组论文是基因组比较分析的优秀范例，作者们采用了单倍体来测序克服了马铃薯基因组的杂合度带来的困难。”

    黄瓜、马铃薯基因组计划为我国蔬菜基因组研究凝聚了团队，锻炼和培养了人才，其研究策略被之后开展的白菜、番茄和西瓜基因组计划所采纳。接着，我国取得了国际白菜基因组计划的主导权，发起制定了西瓜基因组计划，在番茄基因组计划中发挥了重要作用……通过几年努力，黄三文带领着中国农科院蔬菜花卉研究所基因组学研究团队，实现了从“跟跑者”到“领跑者”的角色转变。

    从基因组到新品种

    从事基因组研究，最终目的是为了培育拥有自主知识产权的优良品种。为打通从基因组到新品种这条“顶天立地”的道路，黄三文以黄瓜为研究对象，继续深化功能基因组研究，加强遗传学和分子生物学研究，开展了全基因组设计育种。

    目前，黄三文团队与国内外研究团队合作，已完成100多个组织的转录组测序，重测序了115份核心种质并绘制了黄瓜的变异组图谱，构建了黄瓜突变体库并正完善遗传转化的技术体系，为发掘、验证黄瓜重要性状基因提供了“利器”，在国际园艺学科，黄瓜遗传学和分子生物学研究方面率先进入了“大数据”时代。而该成果，2013年发表在《自然遗传学》上。

    在加强遗传学和分子生物学研究方面，黄三文带领团队构建了第一张遗传—细胞遗传整合图谱、遗传—物理整合图谱、黄瓜—甜瓜—西瓜比较遗传图谱以及变异组图谱，黄瓜可用的分子标记由200个迅速增长到400万个。利用变异组数据，设计开发了遗传背景选择芯片，并且迅速精细定位了30多个重要性状基因。重点对性别决定、苦味形成、果实发育三个重要性状的遗传和分子机理进行了深入研究。而最近在苦味形成机理上的突破，就是综合利用基因组数据和分子生物学、生物化学等多学科交叉工具手段的结果。

    “尽管已破译了蔬菜的遗传密码，但我们的全基因组设计育种研究才刚刚起步。”黄三文说。