北京大学现代农业研究院作物遗传与种质创新平台张兴平研究员和邓云研究员团队、农业组学大数据平台何航研究员团队开展合作研究，在西瓜属高质量基因组图谱绘制方面取得重要进展。研究成果以“Telomere-to-telomere Citrullus Super-pangenome Provides Direction for Watermelon Breeding”为题，于2024年7月8日在《自然—遗传学》期刊在线发表，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-024-01823-6。张兴平研究员、邓云研究员、何航研究员为该论文的共同通讯作者。北京大学博士生张宜林，北京大学现代农业研究院赵明霞副研究员、谭景胜科研助理、黄铭涵博士，为该论文的共同第一作者。我们有幸邀请了七位主要作者进行专访，和大家分享西瓜育种和基因组研究的背后故事。
团队主要成员（从左至右）：张兴平、赵明霞、谭景胜、邓云、邓兴旺、何航、张宜林、黄铭涵
研究的问题与意义
问 我国在西瓜育种和产销方面居于国际什么水平，面临哪些问题？
邓云：西瓜是全球范围内广泛种植的重要经济作物之一，全球年产量接近1亿吨。我国可谓是种瓜和吃瓜第一大国，生产和消费了全球总量的60%以上，西瓜产业在我国乡村振兴和农民致富中发挥了十分重要的作用。虽然西瓜起源于非洲，但是依靠一代代育种家的不懈努力，我国已成为世界上西瓜种质创新和品种选育最为活跃的国家，在品种种源方面实现了完全自主可控。
赵明霞：西瓜富含番茄红素和瓜氨酸等对人体有益营养成分，口味甘甜，享有夏季"水果之王"的美誉。其品种丰富，除了有作为水果食用的栽培西瓜，还有具有药用及油籽特性的药西瓜，被用作果酱和动物饲料的饲用西瓜，以及作为种子食用和消费的黏籽西瓜等丰富的野生种。野生种被应用于育种项目，来改良栽培西瓜的抗逆性。然而，野生西瓜品种的基因组信息相对缺乏，之前通过二代测序和组装仅获得过三个野生种的基因组序列。这极大限制了野生近缘种在西瓜育种中的利用，是目前西瓜育种领域迫切要解决的问题。
西瓜属物种多样性
问 这项研究的主要发现是什么，和已有研究有何不同之处？
张宜林：该项研究绘制了西瓜属现存7个种的28份代表性材料的端粒到端粒（T2T）高质量基因组图谱，成功构建了植物领域首个T2T属级超级泛基因组。7个种包括：唯一的雌雄异株-罗典西瓜（Citrullus naudinianus），适应沙漠环境的缺须西瓜（Citrullus ecirrhosus）和热迷西瓜（Citrullus rehmii），药西瓜（Citrullus colocynthis），饲用西瓜（Citrullus amarus），黏籽西瓜（Citrullus mucosospermus），以及栽培西瓜（Citrullus lanatus）。
研究得到的西瓜属泛基因组总计768.5 Mb，是单个西瓜基因组大小的1.5倍，包含32,513个基因家族和46万个结构变异，这是现今最全面的西瓜属基因组序列图谱和变异图谱。
基于超级泛基因组图谱，我们揭示了西瓜属的基因组演化历史；挖掘了与葫芦素含量、含糖量、果肉着色等重要性状相关的功能基因结构变异；发现了在西瓜驯化过程中，伴随着多个与含糖量增加、果肉变红相关的基因簇扩张，大量丢失的抗病功能相关的基因簇。此外，该项研究提供了利用野生种质创制优异育种材料的新范例。我们确定了西瓜抗枯萎病生理小种1的候选基因，并将这个在驯化过程中丢失的抗病基因重新有目的地导入到栽培种中，通过种间杂交育成了抗多种病害的自交系‘PKR6’，这对加速抗病品种选育、促进西瓜产业高效发展具有深远意义。
问 研究结果对实际应用或未来研究将会产生什么影响，团队有哪些新的规划？
何航：一是属水平的泛基因组研究将更加被重视。属水平包含了更丰富的基因组变异，尤其是大的结构变异，以及野生种中的丰富新基因。二是将进一步促进作物多组学的应用与解析。泛基因组水平的多组学分析不仅可解析单物种中多种层级内和之间的调控关系，也可在一个属的不同物种中利用相同的调控关系发掘变异导致的调控差异。三是多组学手段对于精确设计育种的指导作用愈发凸显。我们看到影响西瓜驯化过程中葫芦素含量、含糖量、果肉着色、抗病、抗逆等性状的主要因素既包括基因的有无以及序列变异，也有表达调控变异，以及代谢产物水平的变化等等。因此可以从这些不同角度去理解作物性状的变化机制，思考如何从不同层级对作物的最终性状进行调整。
张宜林：相当于提供了一张目前最全面、分辨率最高的西瓜基因组地图。这张基因组地图比原来增加了11,225个新基因，数量上增加了约50%；还鉴定出了46万个结构变异。新增的这些基因都是从野生西瓜种中发现的，包含了栽培西瓜中没有的大量抗病耐逆基因，是培育抗病耐逆新品种的宝贵资源。
有了这张地图，本领域研究人员将更加快速准确地建立基因与性状的一一对应关系。一方面，不会产生由于参考基因组中没有这个基因而挖掘不到的参考偏差现象。另一方面，结构变异的图形泛基因组，为西瓜研究者们未来进行关联（association mapping）和群体基因组学（population genomics）分析提供了理想的选择。
基于此，团队已构建了西瓜精准分子设计育种体系，育成了多个优质抗病新品种。同时，我们已经着手开发西瓜育种芯片。与传统的育种芯片相比，我们开发的育种芯片加入了新鉴定到的大量结构变异位点，更适用于将野生西瓜中的抗逆等相关基因导入到栽培西瓜中，而未来西瓜育种创新的核心就是野生种质的利用。这也将加速通过基因编辑创制新种质，帮助研发人员更加准确高效地设计编辑靶点。
北京大学现代农业研究院选育的优质西瓜新品种
团队的协作与管理
问 两个团队通过什么契机开展的西瓜泛基因组合作研究？
张兴平：我和何航在T2T参考基因组方面曾有过非常成功的合作经验。
促成两个团队持续合作的主要有以下原因：首先是研究兴趣和背景的契合。两个团队都致力于作物的基因组学研究，认识到泛基因组在作物育种中的巨大潜力，对西瓜基因组研究有着浓厚的兴趣。其次，互补是合作的重要推动力。何航带领的生信团队在数据分析技术和生物信息学研究方面有强大的能力，我们的育种团队拥有西瓜种质资源和国际合作的优势。最后，源于共同的目标和愿景。双方都希望通过泛基因组研究找到新的基因资源，以提升西瓜的抗病性、产量和品质，从而实现更高效的育种目标。
这些既是合作的契机，也是我们快速高效取得成功的动力，我们的合作还在继续。
问 您在研究中遇到的最大问题是什么，如何通过团队协作解决的问题?
赵明霞：我在验证西瓜不同种之间发生的三次重大染色体重排事件时遇到了一些问题。原计划是通过荧光原位杂交技术（FISH）来直观展示发生交换的染色体片段，但是公司设计的探针出现了问题。后来我在交换片段连接处设计了特异引物，谭景胜和方桃红利用发生染色体重排的代表性材料进行PCR扩增，我们通过扩增结果证明了染色体交换的发生。
黄铭涵：我在鉴定centromere区域时遇到了一些困难。为了更加准确地判定centromere，尝试了多种方法。最终，结合gene densities，Gypsy LTR number，tandem repeats和genome-wide Hi-C interaction heatmap的结果，从多方面寻找证据，从而确定了centromere的位置。遇到问题时，团队一起讨论，不断尝试，寻找解决方案。何航老师和张兴平老师给了宝贵的指导意见，张宜林师弟在数据分析方面给予了很多帮助，而邓云老师在实验方面的指导、赵明霞和谭景胜的实验工作为获得优质数据奠定了基础。
问 团队是如何组织管理的，以确保项目的高效推进？ 张宜林：大团队每周都会召开会议，汇报进度，讨论遇到的问题，并根据实际情况调整计划。这种持续的沟通和调整确保了我们能及时应对挑战。此外，根据每个成员的专长和工作量来分配任务，同时鼓励跨领域合作，以提高效率和创新性。 总的来说，灵活性、团队协作和持续的进度跟踪是团队高效组织管理的关键因素
黄铭涵：科学研究需要沉下心来，要有足够的耐心和毅力。在研究时，从一个想法一步一步进行探索实践，逐一解决困难和挑战。在结果初具雏形时，投稿并根据审稿意见不断打磨，使文章更加完善，最终形成一个完整的科研成果。 谭景胜：做科研不能“闭门造车、孤军奋战”。要充分利用所在科研平台的一切软件、硬件设施，学会团队学习、取长补短。团队讨论能碰撞出意想不到的思维火花和新思路，能大大提高工作效率。 回想最开始的数据整理及分析，再到写作、投稿等过程，有过很多艰难的时光，但是大家都迎难而上，干劲十足。同时，在和张宜林博士和黄铭涵博士的合作中，我接触到了本专业外的其他领域，深刻体会到了生物信息学的魅力，感觉很兴奋。总而言之，这次投稿经历对我们来说是一次极其宝贵的锻炼机会。 问 哪些审稿意见让您觉得很有启发? 张宜林：一位审稿人指出，需要更清晰地阐述本研究在当前学术背景下的定位和创新点。这促使我们重新审视了研究的原创性，并更加明确地展示了这项工作对推进领域发展的具体贡献。这个建议不仅提升了论文的学术价值，也让我们更深入地思考了研究的长远影响。 另外，生物信息学背景的审稿人指出了数据分析中的一些局限性，推荐了更先进的分析方法。这不仅挖掘出了数据中被忽视的pattern，还让我们认识到持续学习新的数据分析技术的重要性。期刊编辑特别强调了进行深入分析的重要性，这促使我们重新审视了每一条数据的意义和价值。 科研中的成长与感悟 问 如何看待科研圈里的“卷”？ 张宜林：激烈的竞争也有其积极的一面。它促使研究者不断创新、提高效率，推动了科学的快速发展。同时，它也培养了研究者的韧性和适应能力。 另一方面，我们可能需要重新思考科研评价体系，要更加重视研究的社会影响和长期价值。同时，加强跨国、跨机构的合作，从而更有效地利用资源，避免不必要的重复研究。 黄铭涵：“卷”是这个时代很多行业都面临的情况，关键是需要寻找到一种平衡。竞争是不可避免的，既要确保竞争能够真正激发创新动力，还要不对自身造成过度的负担和压力。 问 科研之余有什么兴趣爱好，对于缓解科研压力有何帮助？ 张宜林：非常喜欢打篮球和羽毛球。定期的体育活动不仅能增强身体素质，还能释放压力，产生内啡肽，改善心情。我每天还会花一些时间冥想，提高专注力，减轻焦虑，这对于应对高压的科研环境非常有帮助。定期与非科研圈的朋友联系，保持与外界互动，避免过度沉浸在工作中，这种交流也常常能带来新的视角。 黄铭涵：运动、打网球。在代码报错，难以解决的时候，下楼跑上几圈，放空大脑，回来可能就有新的解决思路了。 谭景胜：运动、美食，或者和好朋友来一段说走就走的旅行，能适当缓解实验不顺时产生的焦虑情绪，帮助调整生活和工作节奏，从而让我高效地重新投入科研中。偶尔我也会选择向知己好友倾诉，而他们也总能向我提供正向情绪价值。多和外界沟通，及时将心理负担、焦虑情绪排解出来，对于保证实验工作者的心理健康来说，非常重要。 问 作为导师，培养出什么样的学生让您更有成就感？ 张兴平： · 独立思考和创新能力强：不仅能掌握现有的知识，还能提出独到的见解和创新的解决方案，在学术研究或实际工作中表现出色。 · 具备团队合作精神：在现代科学研究中，合作是非常重要的。看到学生能够很好地与他人合作，互相支持，共同完成项目，让我感到非常欣慰。 · 持续学习和自我提升：那些始终保持学习热情，不断追求知识更新和技能提升的学生，让我感到特别自豪。 · 有社会责任感：关心三农，愿意运用自己的知识和技能为社会做出贡献。 何航：学生通过努力和思考，做出成绩，成就感是归于他们自身的。作为老师，在看到学生有自己的科学思维和对科学的理解时，这时的一同讨论和工作会觉得有意思并很愉快。 问 对研究生和青年科技工作者有哪些寄语？ 张兴平： · 保持好奇心与求知欲：永远保持对世界的好奇心和对知识的渴望，积极寻找新问题和新答案。 · 坚持不懈，迎难而上：面对挫折和失败，不要气馁，要有坚持到底的毅力和迎难而上的勇气。 · 注重基础，夯实根基：不断深入学习和理解基础理论，夯实自己的专业根基。 · 勇于创新，敢于突破：不要满足于现状，要勇于打破常规，提出新的观点和方法，努力推动科学研究的前沿。 · 加强合作，分享成果：积极参与团队合作，与同行交流，共同探讨，分享成果，共同进步。 · 保持学术诚信，恪守伦理：科研工作者必须保持高度的学术诚信，尊重他人的成果，恪守科研伦理，为科学界树立良好的榜样。 · 关注实际应用，服务社会：科研不仅是为了满足好奇心，更是为了造福社会。关注研究的实际应用价值，努力将科学研究成果转化为社会生产力。 · 持续学习，永不止步：科学技术日新月异，要保持终身学习的态度，时刻关注最新的研究动态，不断更新和扩展自己的知识和技能。 希望每一位研究生和青年科技工作者都能为科学进步和社会发展做出积极的贡献。
“绿色生态农业论坛”暨国家现代农业与···
芯片育种公司双绿源获隆平生物数千万元···
祝贺！联盟成员周俭民研究员获2023···
华中农大张启发院士/南京农大万建民院···
祝贺！联盟成员董莎萌教授
联盟秘书长张兴平博士在第七届国际瓜类···