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破解葡萄馴化的百年謎題

2023-05-24 17:17:10 來源: 科技日報 作者: 趙漢斌 趙英淑 滕繼濮 林莉君

深瞳工作室出品

科技日報記者 趙漢斌 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君

中國科學(xué)家董揚等聯(lián)合“一帶一路”沿線為主的17個國家的79位科學(xué)家,把葡萄的栽培史提到了11000年以前,解決了學(xué)術(shù)界對葡萄起源長達(dá)百余年的爭議,構(gòu)建了幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關(guān)系譜系圖,提供了葡萄定向育種和設(shè)計育種新技術(shù)路徑。

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄研究團隊以番茄為模型,驗證了顏色、香氣等大量葡萄品質(zhì)性狀控制基因,實現(xiàn)葡萄的高效率基因編輯,搭建了功能基因組技術(shù)平臺。圖為番茄模型實驗。受訪者供圖

作為世界四大水果之一、全球綜合產(chǎn)值最大的經(jīng)濟作物之一,葡萄具有重要的經(jīng)濟、社會和文化價值。但鮮食葡萄和釀酒葡萄從哪里起源?經(jīng)過多久才被人工馴化……這些問題一直困擾著科學(xué)界。

近期,年輕的中國科學(xué)家董揚等聯(lián)合“一帶一路”沿線為主的17個國家的79位科學(xué)家,把葡萄的栽培史提到了11000年以前,解決了學(xué)術(shù)界對葡萄起源長達(dá)百余年的爭議,構(gòu)建了幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關(guān)系譜系圖,提供了葡萄定向育種和設(shè)計育種新技術(shù)路徑。

回首科研路,帶著累累碩果,記者跟隨科學(xué)家沿著“一帶一路”,來一次穿越萬年的旋風(fēng)之旅。

達(dá)爾文開了個頭,卻沒有給出結(jié)論

15000年來,人類馴化了300多種動物和植物。歷盡洪荒,從狩獵—采集社會,過渡到農(nóng)業(yè)社會。

植物的引種馴化,是指經(jīng)過人工選擇、栽培,使野生或外來植物適應(yīng)本地自然環(huán)境,并為人所利用,其本質(zhì)是將基因多樣性變化導(dǎo)致的不同性狀表型,在層層選擇和改良中加以保留或摒棄,形成農(nóng)業(yè)作物的品種和品系。

葡萄約有60個可生育的野生種,北美約有28種,東亞約有30種,它們喜歡生長在海拔200米至1500米間的溫帶山坡、溝谷林、灌叢和針闊混交林緣地帶。

由于未經(jīng)人工引種馴化,野生葡萄穗粒小,產(chǎn)量低,口感酸澀,它們往往還是雌雄異株,這意味著自然界中的葡萄,只有一半可以結(jié)果?!肮湃诉x擇了突變的雌雄同株,通過人工馴化,將其保留和傳播開來。”云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授董揚說,就此使栽培型葡萄產(chǎn)量遠(yuǎn)高于野生葡萄,同時形態(tài)、顏色、香氣也呈多樣化。

伴隨著人類文明進程,作為水果和釀酒原料,葡萄分布漸廣,品種日益繁多,目前全世界登記在冊的品種約有11000個。

達(dá)爾文在《物種起源》第一章,描述了一個非常有意思的現(xiàn)象:家養(yǎng)動物和家養(yǎng)植物與它們的野生祖先有很大的形態(tài)差異。多年后,他又寫下《動物和植物在家養(yǎng)馴化下的變異》,詳細(xì)講述人工馴化的動物和植物。但家養(yǎng)馴化動物和植物是何時何地如何進行的,達(dá)爾文開了個頭,卻沒有給出結(jié)論,留下一個百年謎題,葡萄便是其一。

在自然條件下,要形成一個新物種最短也需要幾十萬年,而人工馴化環(huán)境下,僅用幾千年時間就可以形成一個相對獨立的物種,很多家養(yǎng)物種的形態(tài)、特性都和野生祖先產(chǎn)生了巨大的差異,形成了生殖隔離,符合新物種標(biāo)準(zhǔn)。人工馴化與自然選擇迥異,很多物種特征滿足人工馴化需求,卻不利于在自然界中自然繁衍,但有利于人工繁育。

在國際上,葡萄學(xué)是與園藝學(xué)平行的獨立學(xué)科,足可見人們對葡萄的偏愛與倚重。

大多數(shù)葡萄學(xué)教科書都認(rèn)為,人工栽培葡萄起源于大約8000年前;同時,對葡萄起源地也一直存在爭議,不同教科書中有不同的答案,但大多數(shù)認(rèn)為葡萄起源于地中海附近,是單一區(qū)域起源,鮮食葡萄和釀酒葡萄起源也可能有先后。

“針對諸多疑問,2017年,我們開展了第一階段探索性研究,在全國和亞洲范圍內(nèi)收集了472個葡萄遺傳資源進行基因組分析?!倍瓝P說,那時,他們只試圖探索基因組方法是否可應(yīng)用于葡萄的遺傳資源分析。

“當(dāng)時我們提出,現(xiàn)代葡萄可能在黑海地區(qū)起源,具體什么地方不清楚,起源馴化時間大約在7460年前?!痹颇限r(nóng)業(yè)大學(xué)原校長、教授盛軍告訴科技日報記者,但這個結(jié)果提出后非常有爭議。為深入開展科學(xué)研究,讓理論更加完善,云南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物大數(shù)據(jù)重點實驗室研究團隊很快展開了另一項研究。

研究樣品。受訪者供圖

攜手17國科學(xué)家,揭示葡萄遺傳密碼

此前,由于我們?nèi)狈Υ笠?guī)?;蚪M遺傳變異數(shù)據(jù),導(dǎo)致無法解析葡萄馴化和傳播歷史,也嚴(yán)重阻礙了葡萄的性狀改良。

在2017年的研究中,董揚等人驚奇地發(fā)現(xiàn),全世界所有葡萄品種中,中國葡萄可謂“特立獨行”。

“我們的葡萄,多多少少都有‘京秀’這個品種的遺傳影子,一方面說明‘京秀’對葡萄育種很重要;同時這也告訴我們,中國葡萄的遺傳圈非常狹窄,導(dǎo)致受其影響的韓國葡萄資源也非常狹窄?!倍瓝P說,日本也是先從中國引進了一些品種,后來才使用歐美的一些品種作為育種材料,培育出抗病、豐產(chǎn)、耐貯藏的夏黑葡萄,以及果肉鮮脆多汁、有玫瑰香味、不裂果、不脫粒的陽光玫瑰葡萄等品種。

“如果了解了葡萄的起源、馴化和遷徙問題,我們就可以有針對性地對其進行品種選育?!倍瓝P解釋說,和很多果樹育種一樣,早期人們利用自然突變——也就是芽變以及扦插來進行葡萄育種。

要解決這一系列問題,需要從全球尺度出發(fā),才能得到有價值的結(jié)果,也就是說需要在全世界范圍盡可能多地收集栽培葡萄的樣本。這在幾年前,幾乎是不可能的事。

被同事和同行稱為“外星人”的董揚,年輕,活躍,精力旺盛,有著超凡的組織能力。他隨即通過網(wǎng)絡(luò),旋風(fēng)般地向全世界同行發(fā)出邀請合作郵件,請他們把樣本資料和已有的信息匯集到中國,并很快得到了17個國家科學(xué)家的響應(yīng)。

“非常幸運,合作始于2019年初,在當(dāng)年年底前,就已經(jīng)完成了5000份樣本材料和數(shù)據(jù)的匯集?!笔④娬f。

這些樣本,有的來自南半球的智利、澳大利亞等國家,有的來自美、英、德、法、日等國,更多是“一帶一路”沿線各國科學(xué)家的協(xié)作。在地圖上把他們的國家連成線,與古代陸上“絲綢之路”線路高度吻合。

5000份樣本,并非都是獨立的品種,其中約有800份遺傳背景接近,被定義為克隆株,得對其進行基因組序列分析并加以過濾,這需要極大的耐心和相關(guān)學(xué)科豐富的學(xué)識經(jīng)驗?!敖?jīng)過仔細(xì)梳理、排查,我們把一些重名、錯誤名的樣品剔除,再測序比較,它們之間的親緣關(guān)系才能清楚準(zhǔn)確地顯現(xiàn)出來。這是研究最大的難點?!倍瓝P說。

“葡萄項目的推進,非常依賴國際合作。合作中,我們采用一套非常嚴(yán)格的樣本傳遞方法,并同每家合作單位簽署材料傳輸許可協(xié)議(MTA)?!痹颇限r(nóng)業(yè)大學(xué)副教授陳偉說,這樣就可以明確樣品的所有權(quán)、來源是清晰可追溯的;在研究成果共享方面,也設(shè)定了相應(yīng)機制:每家單位提供樣品后,可優(yōu)先訪問由其產(chǎn)生的數(shù)據(jù),并可對其進行獨立分析。

“在合作中,樣本郵件傳送的影響特別大。”董揚說,受新冠疫情影響,有很多合作者只能待在家里工作,但資料又都在辦公室、實驗室。即便是電子郵件溝通和確認(rèn),也頗為費事。

一位不愿透露姓名的澳洲合作者,已年逾七旬,過著隱士生活,獨自居住在山區(qū)農(nóng)場里?!懊看握宜嫉寐?lián)系他的家人。他的家人又開很長時間的車,然后轉(zhuǎn)告他我們的需求。等他到了小鎮(zhèn)上,找到電腦,才能給我們回復(fù)郵件。但總體來說,溝通都非常融洽?!倍瓝P說。

格魯吉亞的三位合作者,提供了非常重要的野生葡萄樣本。他們中,有一位并不精于英語?!懊看谓涣?,我們都請他的同事聯(lián)系他,雖然很遲才回復(fù)郵件,但他非常支持我們的工作,給了我們很多指導(dǎo),有時候用英語夾雜格魯吉亞語言來回復(fù),或借助翻譯軟件來交流。”董揚說。

這一切,在新冠疫情期間艱難推進。三年間,世事變幻,數(shù)據(jù)和成果在不斷產(chǎn)生,而參與的科學(xué)家中,卻有兩位不幸離世。

說到這里,董揚的鏡片已經(jīng)起了一層薄霧。

研究成果登上《科學(xué)》封面。受訪者供圖

最早馴化的水果,登上《科學(xué)》封面

2023年3月3日,79名科學(xué)家的合作,終于開花結(jié)果,并登上了《科學(xué)》封面。

累累碩果下,最醒目的兩個詞是“馴化”“葡萄”,正文標(biāo)題為《葡萄演化中的雙重馴化及其性狀起源》。同時,期刊還配發(fā)了不乏溢美之詞的評論。該研究的主創(chuàng)人員還將受邀參加2023年《科學(xué)》年會。

“這是我國年輕科學(xué)家牽頭,采用超大規(guī)?;蚪M數(shù)據(jù)和復(fù)雜數(shù)據(jù)分析方式,聯(lián)合全球科學(xué)家在葡萄生物資源研究方面取得的重大成果。既是中國青年科學(xué)家致力于國家科技自立自強的驕傲,也是中國科技與世界科技創(chuàng)新合作的典范?!痹颇鲜】茖W(xué)技術(shù)廳黨組書記、廳長王學(xué)勤說,同時這也提示我們,人類要破解共同發(fā)展難題,當(dāng)今比以往任何時候都更需要國際合作和開放共享。

進入分子生物學(xué)時代,分類學(xué)界判斷物種的關(guān)聯(lián)及演化歷史,不再僅憑外表,而是按照基因組的相似性來分類——相似的都是一個來源,然后通過DNA序列變異規(guī)律推算“分子鐘”,可準(zhǔn)確反映物種分化的時間。

通過復(fù)雜的測序分析,董揚他們發(fā)現(xiàn),11000年前,由于氣候變化,野生葡萄自然分化成東西方兩個群體,古人在相距1000公里的近東地中海東岸與南高加索,幾乎同步馴化和改良了葡萄品種。隨著人口遷移和貿(mào)易往來,葡萄也被傳播到全世界。

“馴化伴隨著很強的目的性。持續(xù)的選擇,野生種和栽培種徹底分開,形成了如今的葡萄品種格局?!标悅フf,人類最早馴化的作物是小麥,大約在15000年。但人類最早馴化的水果是什么,此前并不清楚。新的研究證明,葡萄就是人類最早馴化的水果。

研究中,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過40TB,需要的存儲空間、算力也是個大問題,新冠疫情的影響此時也更加凸顯。年輕的團隊基于此前的工作,想盡辦法創(chuàng)新算法,調(diào)整把控參數(shù),創(chuàng)造性地形成了一套運算和數(shù)據(jù)分析處理的方法,成功構(gòu)建了目前全球最大的葡萄遺傳資源數(shù)據(jù)庫。

“似乎所有可能的問題都遇到了,但也都解決了,這就是科研的魅力——不斷出現(xiàn)問題、不斷解決問題,人生也是這樣。”董揚一副“過盡千帆皆不是”的神態(tài)。

解疑中,他們還提出諸多新觀點。此前,大多數(shù)葡萄學(xué)觀點認(rèn)為,歐洲釀酒葡萄起源于當(dāng)?shù)氐囊吧N,新構(gòu)建的高質(zhì)量參考基因組證明,事實并非如此。這改變了葡萄學(xué)的基礎(chǔ)信息:起源問題是核心,馴化模式是了解葡萄遺傳資源形成的關(guān)鍵。對所有疑問的清晰闡述,有劃時代意義。

“這篇文章能夠登上《科學(xué)》封面,是有科學(xué)方法和翔實數(shù)據(jù)支撐的。”董揚說。

“這是一個大科學(xué)、大合作時代。它之所以被放在封面,是因為這是一個國際合作的大項目,解決了全世界都想要知道的問題。”盛軍說。

有評論指出,新提出的“葡萄雙起源中心”模式,糾正了科學(xué)界以前的單起源中心理論,證明釀酒葡萄和鮮食葡萄在不同區(qū)域同時起源,而且起源初期遺傳背景具有顯著差異,形成了葡萄起源和遷徙的一致觀點,改寫了葡萄研究的教科書。

《科學(xué)》配發(fā)的評論則認(rèn)為,支撐人類文明崛起的植物馴化,越來越被認(rèn)為是文化景觀中復(fù)雜的相互作用。董揚等人通過報道葡萄馴化事件,揭示了食物來源更多的復(fù)雜性。

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄研究團隊研究人員正在挑選釀酒葡萄樣品。受訪者供圖

精準(zhǔn)設(shè)計定向選育,出產(chǎn)原創(chuàng)高品質(zhì)葡萄

張騫,被司馬遷稱有“鑿空”西域之功。西漢建元二年(公元前139年),奉漢武帝之命,張騫率隊打通了漢朝通往西域的南北道路,打通了中國與中亞、西亞、南亞以至通往歐洲的陸路交通,成為絲綢之路開拓者的代表。

“我們的數(shù)據(jù)也表明,2500年以前,葡萄已沿著貿(mào)易商道,從西亞進入我國新疆,再向內(nèi)地擴散。”董揚介紹,在西安,出土的葡萄籽和葡萄酒,以及葡萄釀酒坊的一些遺跡,都可以充分證明葡萄的傳播歷史,而且傳入時間比張騫時期還早了約330年。

“我們還發(fā)現(xiàn)了一些葡萄非常重要的特殊性狀,比如說定位了稀有古老品種麝香葡萄特殊香氣性狀的基因。在現(xiàn)有葡萄品種中,這個基因已極為罕見?!倍瓝P說。

“未來我們可以應(yīng)用這個基因,讓水晶葡萄具有麝香香型,果農(nóng)的收益一定會非常好!”曾多年游學(xué)歐洲,如今加盟云南農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄項目種業(yè)開發(fā)研究的朱怡帆博士說。

11000多個品種,不同的果型、色澤、甜度、香型,讓人眼花繚亂?!按饲?,我們針對葡萄的29種表型性狀,進行了連續(xù)3年的測定,通過基因組關(guān)聯(lián)分析,挖掘到了大量和農(nóng)業(yè)性狀相關(guān)的基因,解析它們的功能,可為未來葡萄精準(zhǔn)育種提供至關(guān)重要的工具?!敝焘f。

目前,研究團隊匯集1000余個葡萄品種、超過170種葡萄表型性狀,包括果實形狀、香氣、次生代謝產(chǎn)物,甚至根部細(xì)節(jié)的一些性狀,并系統(tǒng)挖掘與之相關(guān)的基因。

朱怡帆等人還非常關(guān)注不同的馴化分支,特別是釀酒葡萄和鮮食葡萄在不同的馴化分支上的差異基因?!拔磥?,我們可能在計算機上設(shè)計出葡萄育種的一些方法,告訴育種農(nóng)藝師用什么品種和什么品種雜交,選擇什么樣遺傳背景和基因型的后代,這樣就可以精確快速地進行品種選育。”

朱怡帆透露,目前,相關(guān)的一些工作已在緊鑼密鼓地展開。通過精準(zhǔn)設(shè)計定向雜交選育,未來中國也能出產(chǎn)原創(chuàng)的高品質(zhì)葡萄。

記者發(fā)稿前夕,朱怡帆他們又找到一個控制葡萄早熟的關(guān)鍵基因。“把這些基因?qū)氲剿咸阎?,可以讓它呈現(xiàn)出更漂亮的色澤、口感,或許還能讓人們在春節(jié)就吃到新鮮采摘的葡萄!”盛軍說,更為重要的是,這一系列研究,也將為與葡萄并稱“四大水果”的蘋果、柑橘、香蕉,以及其他類型作物新品種的開發(fā)提供借鑒。

責(zé)任編輯: 冷媚