青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院的學(xué)生們說，院長(zhǎng)張忠華教授最讓他們印象深刻的，是那謙遜的風(fēng)度和對(duì)科研的熾熱。他平時(shí)總是寡言少語，仿佛與周遭保持著一份靜默的距離，然而，一旦有學(xué)生向他請(qǐng)教專業(yè)知識(shí)，他的話匣子仿佛被悄然打開，耐心地幫同學(xué)們答疑解惑，毫無保留地分享自己的知識(shí)和見解……這就是張忠華，一位以謙遜為底色，以科研為靈魂的學(xué)者。
甜瓜是世界范圍內(nèi)的重要瓜果類作物，近年來，張忠華團(tuán)隊(duì)迎來了甜瓜功能基因組研究收獲的小高峰，先后在《植物細(xì)胞》《分子植物》《植物生物技術(shù)雜志》《理論與應(yīng)用遺傳學(xué)》和《園藝學(xué)報(bào)英文版》等國(guó)際重要期刊連續(xù)在線發(fā)文，分別涉及葫蘆科果實(shí)發(fā)育共有調(diào)控元件、薄皮甜瓜酸味調(diào)控、甜瓜果實(shí)變苦以及甜瓜遺傳育種基因型鑒定等相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，加速了以甜瓜為代表的葫蘆科作物生物學(xué)和分子育種的進(jìn)展，為做強(qiáng)瓜類種質(zhì)芯片，端牢“中國(guó)飯碗”注入強(qiáng)勁動(dòng)力。
張忠華榮獲何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)獎(jiǎng) 受訪者供圖
錨定目標(biāo)，投身瓜類基因組學(xué)研究
1979年，張忠華出生在山東聊城的一個(gè)農(nóng)村家庭。1997年，他考入萊陽農(nóng)學(xué)院園藝系，本科期間的學(xué)習(xí)讓他對(duì)生物信息學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣。2001年，他進(jìn)入浙江大學(xué)碩博連讀，專注基因組與生物信息學(xué)的研究，經(jīng)常思考的是如何將基因組學(xué)與生命科學(xué)的最新成果融入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，用科技力量驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
2006年博士畢業(yè)后，張忠華加入中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所。在入職不久后的2007年初，張忠華就參與了研究所發(fā)起的一項(xiàng)多邊合作的大型植物基因組計(jì)劃——國(guó)際黃瓜基因組計(jì)劃，該項(xiàng)目專注于葫蘆科瓜類作物，特別是黃瓜的功能基因組研究，探索其基因組結(jié)構(gòu)特征與演化規(guī)律。
“黃瓜的基因組相對(duì)較小，但其中近30%的區(qū)域是由大片段復(fù)雜重復(fù)序列組成的著絲粒區(qū)域，這一比例遠(yuǎn)高于水稻、玉米等作物，嚴(yán)重增加了我們基因組解析的難度。”張忠華介紹道。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，張忠華主動(dòng)承擔(dān)起黃瓜的生物信息學(xué)分析的重任。項(xiàng)目時(shí)間緊迫、任務(wù)繁重，他對(duì)傳統(tǒng)分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)，顯著提高了篩選效率，為黃瓜遺傳圖譜的構(gòu)建和基因組序列的解析提供了堅(jiān)實(shí)的支持。
黃瓜與甜瓜、西瓜、冬瓜、南瓜等瓜類作物在植物分類學(xué)上均屬葫蘆科植物，起源于共同的祖先。張忠華作為主要完成人，率先利用第二代測(cè)序技術(shù)解碼了首個(gè)蔬菜作物——黃瓜的基因遺傳密碼，隨后又主導(dǎo)或參與了冬瓜、西瓜的全基因組遺傳密碼解析。
張忠華團(tuán)隊(duì)通過比較不同瓜類作物基因組，確定了各作物間的基因同源對(duì)應(yīng)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)目前已知葫蘆科作物應(yīng)該起源于一個(gè)擁有15對(duì)染色體的祖先基因組，然后經(jīng)過染色體多次斷裂和融合等，形成了目前染色體數(shù)目豐富多樣的葫蘆科作物基因組。其中，冬瓜保留了最多的祖先狀態(tài)，十分有助于推測(cè)基因的祖先狀態(tài)和演化規(guī)律。這些發(fā)現(xiàn)為未來葫蘆科作物的比較基因組和重要功能基因研究提供了重要參考，也為葫蘆科物種間的遺傳和基因知識(shí)相互利用奠定了基礎(chǔ)。
張忠華教授（左）在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生 受訪者供圖
攻堅(jiān)克難，構(gòu)建黃瓜、甜瓜等全基因組變異圖譜
“科研中，有時(shí)實(shí)現(xiàn)從0到1的跨越，比從1到100的積累更加艱難。”張忠華對(duì)此深有體會(huì)。
種質(zhì)資源是研究農(nóng)藝性狀分子機(jī)理的重要素材，也是育種突破的關(guān)鍵。作為主要組織者，張忠華團(tuán)隊(duì)耗時(shí)多年收集了全世界近6000份具有代表性的黃瓜、甜瓜、冬瓜種質(zhì)資源，并對(duì)這些資源的基因遺傳信息進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
研究發(fā)現(xiàn)，與絕大多數(shù)作物相似，黃瓜、甜瓜和冬瓜都經(jīng)歷了馴化、育種改良等過程，而后傳播到不同地域，分化形成了不同的種質(zhì)資源類群。
張忠華介紹說：“在馴化改良過程中，這些作物發(fā)生了多種性狀改變，包括果實(shí)變大、脫苦、開花時(shí)間提前等，同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這三種的作物6000多個(gè)基因?qū)?yīng)這些性狀改變也發(fā)生了演化變異，成為研究這些性狀的關(guān)鍵候選基因。”
這些發(fā)現(xiàn)為植物馴化研究提供了新知識(shí)，也為瓜類種質(zhì)資源的育種利用提供了理論框架。
張忠華深知科研之路的艱辛與不易。他坦言：“科研是一項(xiàng)充滿未知的探索。一個(gè)項(xiàng)目可能需要三到五年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，期間還可能面臨一無所獲的風(fēng)險(xiǎn)。”
在黃瓜、甜瓜全基因組變異圖譜的研究中，課題組追溯分析甜瓜的悠久栽培歷史，巧妙地運(yùn)用了數(shù)量性狀遺傳定位、全基因組關(guān)聯(lián)分析以及基因表達(dá)分析等多維度手段。
對(duì)此，張忠華強(qiáng)調(diào)：“我們對(duì)每一個(gè)樣本都進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。”
這項(xiàng)研究歷時(shí)多年，克服重重困難，最終鎖定了超過200個(gè)與重要農(nóng)藝性狀緊密相關(guān)的候選基因與位點(diǎn)，為黃瓜、甜瓜等瓜類作物的遺傳改良、新品種選育乃至產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了寶貴的基因資源與理論支撐。
張忠華教授帶領(lǐng)學(xué)生下棚查看瓜類長(zhǎng)勢(shì) 受訪者供圖
步履不停，揭示系列農(nóng)藝性狀功能基因和調(diào)控元件
黃瓜品種的遺傳差異如何影響其味道？
對(duì)普通的“吃瓜群眾”來說，就是一個(gè)口感問題，但對(duì)從事瓜類育種的張忠華團(tuán)隊(duì)來說，背后卻涉及大量基因研究工作。
他們整合了基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等大數(shù)據(jù)信息，開發(fā)新方法來分析基因結(jié)構(gòu)、演化和表達(dá)，成功克隆和定位了控制雌花性別決定、苦味、果實(shí)發(fā)育等性狀的50多個(gè)基因。
在實(shí)際種植中，針對(duì)黃瓜、甜瓜果實(shí)易變苦的問題，張忠華團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了控制苦味物質(zhì)合成的基因：黃瓜有9個(gè)，甜瓜有10個(gè)。他們還發(fā)現(xiàn)，不同器官中存在不同的“開關(guān)”基因，如Bl和Bt基因分別在黃瓜葉片和果實(shí)中控制苦味物質(zhì)合成，Br基因則是甜瓜生產(chǎn)中激素處理導(dǎo)致果實(shí)變苦的關(guān)鍵。這些發(fā)現(xiàn)為植物學(xué)果實(shí)發(fā)育、風(fēng)味形成等重要科學(xué)問題提供了新的知識(shí)，并為分子設(shè)計(jì)育種提供了精準(zhǔn)靶標(biāo)。
甜瓜生產(chǎn)中使用CPPU（一種常用的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑）可促進(jìn)果實(shí)膨大，但經(jīng)常導(dǎo)致果實(shí)苦味，成為產(chǎn)業(yè)的一個(gè)棘手問題。為此，張忠華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，并深入田間考察研究。
“研究不能僅限于實(shí)驗(yàn)室，必須走到田間解決實(shí)際問題。”張忠華說道。
通過實(shí)地觀察和對(duì)CPPU處理后的甜瓜果實(shí)進(jìn)行分子分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了調(diào)控苦味產(chǎn)生的特定基因，并利用先進(jìn)的基因編輯技術(shù)，成功培育出了果實(shí)不苦的甜瓜品種。
黃瓜、甜瓜產(chǎn)量很大程度上受果實(shí)數(shù)量影響，張忠華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期對(duì)雌花（能發(fā)育成果實(shí)）、雄花發(fā)育等影響結(jié)瓜數(shù)目的生物學(xué)問題開展了深入研究，發(fā)現(xiàn)了控制黃瓜全部開雌花（具有高產(chǎn)量潛力）的關(guān)鍵基因和變異，并在甜瓜中也發(fā)現(xiàn)了高繁殖力的控制基因，為將來培養(yǎng)高產(chǎn)品種提供了科技支撐。
此外，團(tuán)隊(duì)還利用葫蘆科多物種的基因序列演化特征開發(fā)了新策略，鑒定了1600多個(gè)控制葫蘆科瓜類果實(shí)的共同關(guān)鍵調(diào)控元件，為將來基因時(shí)空表達(dá)機(jī)制研究和基因精準(zhǔn)育種調(diào)控提供了關(guān)鍵信息。
張忠華教授在大會(huì)上交流發(fā)言 受訪者供圖
不斷攀登，推動(dòng)甜瓜黃瓜產(chǎn)業(yè)化新突破
在張忠華的科研生涯中，實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)總是被賦予極高的重視。
他經(jīng)常強(qiáng)調(diào)：“每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，無論多么微小，都可能對(duì)最終的研究成果產(chǎn)生決定性的影響。”
在黃瓜基因組研究中，張忠華團(tuán)隊(duì)選擇了12個(gè)代表性黃瓜種質(zhì)資源，并完成了染色體水平的基因組組裝。
他介紹道：“我們對(duì)這些基因組序列進(jìn)行了詳盡的比較分析，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)特大DNA片段倒位變異。”這些發(fā)現(xiàn)就像是為黃瓜進(jìn)行了一次全面的“基因體檢”，揭示了290萬個(gè)微小的遺傳差異、140萬個(gè)小的插入或缺失，以及5.6萬個(gè)較大的基因結(jié)構(gòu)變化。
張忠華進(jìn)一步解釋說：“通過這些發(fā)現(xiàn)，我們構(gòu)建了一個(gè)黃瓜基因的全景圖。利用這張地圖，我們能夠研究黃瓜的不同特征是如何由基因決定的，這就像是找到了控制黃瓜特征的‘開關(guān)’。”
2022年3月，這項(xiàng)研究在《自然通訊》在線發(fā)表，為黃瓜重要基因的挖掘和育種改良提供了重要參考。同年，張忠華“葫蘆科作物功能基因組學(xué)”項(xiàng)目榮獲國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金資助，實(shí)現(xiàn)了青島農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目的歷史性突破。
華南黃瓜味道變苦會(huì)嚴(yán)重影響市場(chǎng)銷售，為解決這一問題，張忠華團(tuán)隊(duì)挖掘研究關(guān)鍵基因信息，開發(fā)了30多個(gè)分子標(biāo)記，并為甜瓜和黃瓜開發(fā)了全基因組背景選擇芯片系統(tǒng)，分別包含2000個(gè)和600個(gè)標(biāo)記，可縮短回交選育進(jìn)程4-5個(gè)世代，并可用于純種與品種鑒定、遺傳定位等育種領(lǐng)域。目前，這些技術(shù)已在中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所、山東省農(nóng)科院等進(jìn)行了應(yīng)用，推動(dòng)黃瓜、甜瓜等育種進(jìn)入分子設(shè)計(jì)時(shí)代。
在此基礎(chǔ)上，合作者培育了‘蔬研’系列黃瓜品種，成功解決了華南黃瓜品種變苦而喪失商品價(jià)值的生產(chǎn)難題，并提高了產(chǎn)量，累計(jì)推廣約100萬畝，創(chuàng)造約80億元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，取得了顯著的社會(huì)效益。
張忠華對(duì)科研的熱忱推動(dòng)了他在瓜類基因組學(xué)研究的持續(xù)進(jìn)步，他的科研追求從未因過往成就而止步。
本文鏈接：瓜類作物的“基因密碼”破譯者http://www.lensthegame.com/show-11-17766-0.html
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