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张忠华：破译瓜类作物“基因密码”
大众日报记者 薄克国 通讯员 周维维
近日，何梁何利基金2024年度颁奖大会在北京举行，青岛农业大学园艺学院院长张忠华教授因破译瓜类作物“基因密码”而荣获“科学与技术创新奖（青年创新奖）”。
作为蔬菜分子遗传育种领域的领军人物，张忠华教授凭借多年的科研积累与创新思维，在甜瓜和黄瓜等葫芦科作物中率先开展了基于基因组演化和组学大数据等加速功能基因的研究，大大推动了葫芦科生物学和分子育种的进展，也为同行研究提供了新的研究思路。
甜瓜是世界范围内的重要瓜果类作物。2024年以来，张忠华教授团队迎来了甜瓜功能基因组研究收获的小高峰，先后在《植物细胞》和《分子植物》等国际重要期刊连续在线发文，分别涉及葫芦科果实发育共有调控元件、薄皮甜瓜酸味调控、甜瓜果实变苦以及甜瓜遗传育种基因型鉴定等相关研究发现，加速了以甜瓜为代表的葫芦科作物生物学和分子育种的进展，为做强瓜类种质芯片，端牢“中国饭碗”注入强劲动力。
“黄瓜的基因组相对较小，但其中近30%的区域是由大片段复杂重复序列组成的着丝粒区域，这一比例远高于水稻和玉米等作物，严重增加了我们基因组解析的难度。”张忠华介绍。面对这一挑战，张忠华主动承担起黄瓜的生物信息学分析的重任。项目时间紧迫、任务繁重，他对传统分子标记技术进行了创新性改进，显著提高了筛选效率，为黄瓜遗传图谱的构建和基因组序列的解析提供了坚实的支持。
黄瓜与甜瓜、西瓜、冬瓜、南瓜等瓜类作物在植物分类学上均属葫芦科植物，起源于共同的祖先。张忠华作为主要完成人，率先利用第二代测序技术解码了首个蔬菜作物——黄瓜的基因遗传密码，随后又主导或参与了冬瓜、西瓜的全基因组遗传密码解析。
种质资源是研究农艺性状分子机理的重要素材，也是育种突破的关键。作为主要组织者，张忠华团队耗时多年收集了全世界近6000份具有代表性的黄瓜、甜瓜和冬瓜种质资源，并对这些资源的基因遗传信息进行了系统研究。研究发现，与绝大多数作物相似，黄瓜、甜瓜和冬瓜都经历了驯化、育种改良等过程，而后传播到不同地域，分化形成了不同的种质资源类群。
张忠华表示：“在驯化改良过程中，这些作物发生了多种性状改变，包括果实变大、脱苦、开花时间提前等。同时，我们发现这三种作物6000多个基因对应这些性状改变也发生了演化变异，成为研究这些性状的关键候选基因。”这些发现为植物驯化研究提供了新知识，也为瓜类种质资源的育种利用提供了理论框架。
在黄瓜基因组研究中，张忠华团队选择了12个代表性黄瓜种质资源，并完成了染色体水平的基因组组装。他介绍：“我们对这些基因组序列进行了详尽比较分析，发现了多个特大DNA片段倒位变异。”这些发现就像是为黄瓜进行了一次全面的“基因体检”，揭示了290万个微小的遗传差异、140万个小的插入或缺失以及5.6万个较大的基因结构变化。张忠华说：“通过这些发现，我们构建了一个黄瓜基因的全景图。利用这张地图，能够研究黄瓜的不同特征是如何由基因决定的，就像是找到了控制黄瓜特征的‘开关’。”
华南黄瓜味道变苦会严重影响市场销售。为解决这一问题，张忠华团队挖掘研究关键基因信息，开发了30多个分子标记，并为甜瓜和黄瓜开发了全基因组背景选择芯片系统，可用于纯种与品种鉴定、遗传定位等育种领域。目前，这些技术已在中国农科院蔬菜所和山东省农科院等进行了应用，推动黄瓜和甜瓜等育种进入分子设计时代。
在此基础上，合作者培育了“蔬研”系列黄瓜品种，成功解决了华南黄瓜品种变苦而丧失商品价值的生产难题，并提高了产量，累计推广约100万亩，已创造约80亿元的经济价值，取得了显著的社会效益。
来源：大众日报