深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)記者 趙漢斌 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
中國(guó)科學(xué)家董揚(yáng)等聯(lián)合“一帶一路”沿線為主的17個(gè)國(guó)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(duì)葡萄起源長(zhǎng)達(dá)百余年的爭(zhēng)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(jì)育種新技術(shù)路徑。
云南農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄研究團(tuán)隊(duì)以番茄為模型，驗(yàn)證了顏色、香氣等大量葡萄品質(zhì)性狀控制基因，實(shí)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(tái)。圖為番茄模型實(shí)驗(yàn)。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(jì)作物之一，葡萄具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化價(jià)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(guó)科學(xué)家董揚(yáng)等聯(lián)合“一帶一路”沿線為主的17個(gè)國(guó)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(duì)葡萄起源長(zhǎng)達(dá)百余年的爭(zhēng)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(jì)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(wàn)年的旋風(fēng)之旅。
達(dá)爾文開了個(gè)頭，卻沒有給出結(jié)論
15000年來，人類馴化了300多種動(dòng)物和植物。歷盡洪荒，從狩獵—采集社會(huì)，過渡到農(nóng)業(yè)社會(huì)。
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(gè)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(zhǎng)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?！痹颇限r(nóng)業(yè)大學(xué)教授董揚(yáng)說，就此使栽培型葡萄產(chǎn)量遠(yuǎn)高于野生葡萄，同時(shí)形態(tài)、顏色、香氣也呈多樣化。
伴隨著人類文明進(jìn)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(cè)的品種約有11000個(gè)。
達(dá)爾文在《物種起源》第一章，描述了一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象：家養(yǎng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)物和植物。但家養(yǎng)馴化動(dòng)物和植物是何時(shí)何地如何進(jìn)行的，達(dá)爾文開了個(gè)頭，卻沒有給出結(jié)論，留下一個(gè)百年謎題，葡萄便是其一。
在自然條件下，要形成一個(gè)新物種最短也需要幾十萬(wàn)年，而人工馴化環(huán)境下，僅用幾千年時(shí)間就可以形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)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(guó)際上，葡萄學(xué)是與園藝學(xué)平行的獨(dú)立學(xué)科，足可見人們對(duì)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(shí)，對(duì)葡萄起源地也一直存在爭(zhēng)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(duì)諸多疑問，2017年，我們開展了第一階段探索性研究，在全國(guó)和亞洲范圍內(nèi)收集了472個(gè)葡萄遺傳資源進(jìn)行基因組分析?！倍瓝P(yáng)說，那時(shí)，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(shí)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(shí)間大約在7460年前?！痹颇限r(nóng)業(yè)大學(xué)原校長(zhǎng)、教授盛軍告訴科技日?qǐng)?bào)記者，但這個(gè)結(jié)果提出后非常有爭(zhēng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)很快展開了另一項(xiàng)研究。
研究樣品。受訪者供圖
攜手17國(guó)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(yáng)等人驚奇地發(fā)現(xiàn)，全世界所有葡萄品種中，中國(guó)葡萄可謂“特立獨(dú)行”。
“我們的葡萄，多多少少都有‘京秀’這個(gè)品種的遺傳影子，一方面說明‘京秀’對(duì)葡萄育種很重要；同時(shí)這也告訴我們，中國(guó)葡萄的遺傳圈非常狹窄，導(dǎo)致受其影響的韓國(guó)葡萄資源也非常狹窄?！倍瓝P(yáng)說，日本也是先從中國(guó)引進(jìn)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(yáng)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(duì)性地對(duì)其進(jìn)行品種選育?！倍瓝P(yáng)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(jìn)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(jià)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(yáng)，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(qǐng)合作郵件，請(qǐng)他們把樣本資料和已有的信息匯集到中國(guó)，并很快得到了17個(gè)國(guó)家科學(xué)家的響應(yīng)。
“非常幸運(yùn)，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(guó)家，有的來自美、英、德、法、日等國(guó)，更多是“一帶一路”沿線各國(guó)科學(xué)家的協(xié)作。在地圖上把他們的國(guó)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(dú)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(duì)其進(jìn)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(shí)經(jīng)驗(yàn)?！敖?jīng)過仔細(xì)梳理、排查，我們把一些重名、錯(cuò)誤名的樣品剔除，再測(cè)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(diǎn)?！倍瓝P(yáng)說。
“葡萄項(xiàng)目的推進(jìn)，非常依賴國(guó)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(jī)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(duì)其進(jìn)行獨(dú)立分析。
“在合作中，樣本郵件傳送的影響特別大。”董揚(yáng)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(shí)驗(yàn)室。即便是電子郵件溝通和確認(rèn)，也頗為費(fèi)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(dú)自居住在山區(qū)農(nóng)場(chǎng)里?！懊看握宜?，都得聯(lián)系他的家人。他的家人又開很長(zhǎng)時(shí)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(yáng)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(yǔ)?！懊看谓涣?，我們都請(qǐng)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(shí)候用英語(yǔ)夾雜格魯吉亞語(yǔ)言來回復(fù)，或借助翻譯軟件來交流?！倍瓝P(yáng)說。
這一切，在新冠疫情期間艱難推進(jìn)。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(yáng)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(gè)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(shí)，期刊還配發(fā)了不乏溢美之詞的評(píng)論。該研究的主創(chuàng)人員還將受邀參加2023年《科學(xué)》年會(huì)。
“這是我國(guó)年輕科學(xué)家牽頭，采用超大規(guī)模基因組數(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(guó)青年科學(xué)家致力于國(guó)家科技自立自強(qiáng)的驕傲，也是中國(guó)科技與世界科技創(chuàng)新合作的典范。”云南省科學(xué)技術(shù)廳黨組書記、廳長(zhǎng)王學(xué)勤說，同時(shí)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(shí)候都更需要國(guó)際合作和開放共享。
進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)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(gè)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(shí)間。
通過復(fù)雜的測(cè)序分析，董揚(yáng)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(gè)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(qiáng)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(chǔ)空間、算力也是個(gè)大問題，新冠疫情的影響此時(shí)也更加凸顯。年輕的團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(kù)。
“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(yáng)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(diǎn)。此前，大多數(shù)葡萄學(xué)觀點(diǎn)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(shí)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(duì)所有疑問的清晰闡述，有劃時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)支撐的?！倍瓝P(yáng)說。
“這是一個(gè)大科學(xué)、大合作時(shí)代。它之所以被放在封面，是因?yàn)檫@是一個(gè)國(guó)際合作的大項(xiàng)目，解決了全世界都想要知道的問題?！笔④娬f。
有評(píng)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(shí)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(diǎn)，改寫了葡萄研究的教科書。
《科學(xué)》配發(fā)的評(píng)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(yáng)等人通過報(bào)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(tuán)隊(duì)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(jì)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(duì)打通了漢朝通往西域的南北道路，打通了中國(guó)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(jìn)入我國(guó)新疆，再向內(nèi)地?cái)U(kuò)散?！倍瓝P(yáng)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(shí)間比張騫時(shí)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(gè)基因已極為罕見。”董揚(yáng)說。
“未來我們可以應(yīng)用這個(gè)基因，讓水晶葡萄具有麝香香型，果農(nóng)的收益一定會(huì)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(xiàng)目種業(yè)開發(fā)研究的朱怡帆博士說。
11000多個(gè)品種，不同的果型、色澤、甜度、香型，讓人眼花繚亂。“此前，我們針對(duì)葡萄的29種表型性狀，進(jìn)行了連續(xù)3年的測(cè)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(tuán)隊(duì)匯集1000余個(gè)葡萄品種、超過170種葡萄表型性狀，包括果實(shí)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。“未來，我們可能在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)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(jìn)行品種選育?！?/p>
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(jì)定向雜交選育，未來中國(guó)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(gè)控制葡萄早熟的關(guān)鍵基因?！鞍堰@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?cè)诖汗?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。
