王曉武在實驗室工作。
《自然·遺傳》雜志的封面報道 中國農科院蔬菜所供圖
白菜在我國是非常重要的蔬菜作物。蔬菜作物中，大白菜是我國種植面積和總產量最大的，年種植面積達3900萬畝，產量198萬噸，超過我國蔬菜總種植面積的13%，總產量的近20%，在保障蔬菜供應方面具有特殊的地位。
白菜和甘藍類蔬菜是百姓餐桌上最常見的蔬菜。兩類蔬菜發展到現在都形成了豐富多樣的類型，并且原本看起來并沒有聯系的兩個物種，卻都能形成葉球或者膨大根（莖）這樣非常相似的性狀。為什么會出現這種情況？這是長期困擾著科學家的一個謎題。
中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員王曉武帶領科研團隊經過長達6年的研究，終于破解了白菜類和甘藍類蔬菜作物馴化的秘密。日前，《自然·遺傳》以封面文章的形式發表了這一成果。
研究始于興趣
與糧食作物不一樣，蔬菜作物有一個很重要的特點：產品多樣性非常大。“蔬菜的根、莖、葉、花和果實等器官都可能成為收獲的產品。這些產品器官經常很不一樣。產品器官類型非常豐富，無論是從形狀、形態還是顏色等，變化特別多，所以我們拿蔬菜來作研究有其獨特性。”王曉武在接受《中國科學報》記者采訪時表達了自己對蔬菜領域的熱愛。
雖然吃的是同一種作物，卻存在很大差別。比如白菜類蔬菜，常見的有大白菜、小白菜、蕪菁、菜心；甘藍類蔬菜，常見的則包括結球甘藍、苤藍、羽衣甘藍、芥藍、花椰菜、青花菜、孢子甘藍等。
作為蔬菜，它們為人類的生活提供了豐富多樣、類型各異的產品。無論是白菜還是甘藍，即使是同一個種，產品器官差異也特別大。
兩個物種為什么能被馴化出如此多樣的類型一直是一個待解的難題，這讓科學家對此產生了濃厚的興趣。“我們希望通過研究來搞清楚，為什么同樣一種作物能夠分化出這么多各種各樣的差別特別巨大的蔬菜類型。”王曉武說。
除此之外，還有另外一個原因吸引著研究團隊。
“雖然是不同的蔬菜作物，但可以產生非常相似的蔬菜產品。”王曉武表示，比如白菜有結球的白菜，甘藍也有結球的甘藍，它們的球也是很相似的葉球，“不同的物種產生了非常相似的產品器官”。
更加有意思的是，它們又是在完全不同的地域、由不同文化背景的人、在不同的時段獨立地被選擇出來的。
兩千年前，歐洲人將白菜馴化出根膨大的蕪菁；500年前，中國人將白菜馴化出結球大白菜，歐洲人將甘藍馴化出結球甘藍；500年前，歐洲人將甘藍馴化出莖膨大的苤藍。
“這就是科學上非常有意思的趨同馴化的現象。”王曉武說。
綜合這些原因，王曉武覺得這是一個非常值得研究的方向，所以研究團隊選擇了白菜和甘藍這兩類特定的作物，選擇了結球和根（莖）膨大作為研究的性狀來開展工作。
開發新算法探索“無人區”
開展這樣的研究，團隊投入了很多精力去做準備工作。因為需要測序大量材料，他們去搜集了世界各地遺傳資源材料。
獲得這些材料之后，“還有一個關鍵性工作，我們不希望測完的序列和獲得的資源材料沒有對應關系，所以還做了大量資源材料純合的工作。”王曉武介紹。
此外，為了把白菜和甘藍類蔬菜的性狀調查清楚，研究團隊每年都在田間種植下大批實驗材料。每到調查的季節，所有團隊成員都在地里做大量的調查分析工作。“白菜收獲的季節已經很冷了，因為材料數量多、工作量大，科研人員兩手凍得發抖了還在地里切白菜。”王曉武回憶。
所有的研究環節里都有一個很重要的問題，涉及了大量的基因組數據分析。“這項工作中，我們探索的方向都是蕓薹屬作物自己特有的特異性問題，做分析過程中沒有現成的工具，很多都是‘無人區’，這意味著分析的每一步都是新研發的工作，需要開發新的算法。”中國農業科學院蔬菜花卉研究所副研究員程峰在參與其中時深深地感到了研究之困難。
基因組數據本身就是一種海量的數據。“因為是開辟一個新的問題，在做分析的時候很耗費時間，我們不斷地調整算法、調整參數、開發算法工具等。每重新算一遍，其周期都比較長，投入了很多時間和精力去做這個事情。”程峰在接受《中國科學報》記者采訪時感慨著成果的來之不易。
“特別是白菜作物有個非常特殊的情況，里頭很多的基因經過了重復，相似性非常高，我們需要開發一些算法把這些既相似又不相同的基因區分開來。這里面有很多原來傳統研究里沒有的基因組分析工具，需要我們發掘出很多原來沒有的算法。”王曉武表示，最后的成果與他們新的算法以及大量的資源材料是分不開的。
具有重要的現實意義
研究團隊完成了白菜和甘藍類蔬菜作物代表材料的基因組重測序，構建了白菜和甘藍類蔬菜的群體基因組變異圖譜。在充分利用模式物種擬南芥基因組豐富的基因信息基礎上，分別確定了一大批白菜和甘藍葉球形成與膨大根（莖）馴化選擇的基因組信號與相關的基因。
研究獲得了白菜和甘藍類蔬菜作物全基因組的大量變異，確定了一批與白菜類和甘藍類蔬菜葉球形成和根（莖）膨大有關的重要基因，為加快白菜類與甘藍類蔬菜分子育種奠定了重要基礎。
研究還發現白菜和甘藍這兩個物種分別產生結球白菜和結球甘藍，蕪菁和苤藍這樣具有相似的產品器官的現象與其共同祖先的一次全基因組三倍化事件有關。
專家表示，這是第一次非常系統地通過基因組的分析，搞清楚了和葉球形成有關系的基因，也搞清楚了和根（莖）膨大有關系的基因。
這是生物學里非常普遍而重要的問題。通過這項工作，科研人員破解了背后基因組變化的規律，對于將來理解其他性狀的形成，包括其他作物類似性狀的形成都有很大的幫助。
其中還有一個關鍵的成果，就是科學家通過基因組分析，建立了一套全新的方法來研究結球的性狀、根（莖）膨大的性狀。“整個方法都是很新的、比較獨特的，這套方法也可能用到其他作物的結球性狀，或者白菜和甘藍的其他性狀的研究里。建立的這套通過馴化比較分析的方法，對于其他研究也有很大的幫助意義。”王曉武說。
“確定了這些基因，對于將來培育葉球性狀更好的白菜和甘藍提供了非常好的基礎。將來我們可以把結球的基因導入到不結球的材料里，讓不結球的白菜變成能結球的白菜。”王曉武說。
在育種過程中經常遇到一個問題，比如有一個抗病的基因在不結球的材料里，如果想把它導入到結球的白菜里，同時還要保證結球的性狀不能丟失，這就十分困難。
“現在，我知道哪些基因參與了結球，那在導入過程中，我可以盡可能地通過標記追蹤這些基因讓它保存下來。”王曉武表示，有了這些基因后，對于培育結球的白菜、結球的甘藍等都有很重要的意義，對育種有非常大的幫助，“甚至在完全摸清基因的功能后，將來我們還可以改造基因、對目標性狀進行設計等。”
