在山东潍坊峡山生态经济开发区，北京大学现代农业研究院种植的20亩大棚试验西瓜熟了。一共3万多个西瓜，研究人员一个一个切开调查。“当然有，只有研究透每一个西瓜的性状，才算真正了解自己的研究材料。”北京大学现代农业研究院研究员邓云向《中国科学报》介绍。常常钻进西瓜地，邓云的皮肤变得黝黑。而正是邓云和团队成员与西瓜的日夜相伴，让北京大学现代农业研究院在成立后的5年内成果不断。近日，他们在《自然-遗传学》发表研究成果。该研究绘制了西瓜属全部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，成功构建首个属级T2T水平超级泛基因组。有了这个研究成果，培育既好吃又抗病耐逆的西瓜品种不再遥不可及。该研究还被《自然》选为“研究亮点”并进一步报道。对于这些皮肤黝黑的育种学家来说，距离“培育出能够让农业增效、让农民增收、被老百姓交口称赞的好品种”的目标越来越近。
张兴平在调查西瓜。受访者供图
目前，西瓜全球年产量接近1亿吨。中国作为种瓜和吃瓜第一大国，生产和消费了全球总量60%以上的西瓜，也成为世界上西瓜种质创新和品种选育最为活跃的国家。西瓜产业在乡村振兴和农民致富中发挥着重要作用。然而，即使我国已经在品种种源方面实现了完全自主可控，气候变化与病虫危害仍然威胁着西瓜生产。因此，如何改良品种、提高抗病耐逆性成为育种学家面对的问题。2019年，北京大学现代农业研究院人才招聘正式启动。一群身怀“十八般武艺”的专家会集于此，其中包括与西瓜打了一辈子交道的研究员张兴平、在中国农业科学院研究了15年西瓜的邓云、负责农业组学大数据平台的研究员何航、负责单细胞组学和单分子分析平台的研究员李博生等。“栽培西瓜经过长期的驯化和品种改良后，丢失了大量抗病耐逆基因。”邓云介绍道，“但是，野生西瓜生长在自然恶劣环境中，抗病耐逆性很强。”因此，团队的目标明确而坚定，就是将野生西瓜中的抗病耐逆优良基因“植入”栽培西瓜中。“2022年，我们团队发布了一个栽培西瓜的T2T基因组，共注释了24205个基因。”邓云说。而他们的目标，就是要从如此庞大的基因库中，在不损害栽培西瓜含糖量、风味等性状的前提下，精准将野生西瓜的抗病基因导入。要育种首先得种西瓜。深入瓜田，才能全方位了解西瓜。4月，位于海南省的瓜棚里气温接近40摄氏度，研究人员同瓜农一样“泡”在棚里工作。一天下来，汗珠不断，衣服没有干过，晚上还得加班加点看文献和分析数据。邓云说：“生长在地里的西瓜外观什么样、抗病性如何、切开后裂不裂果、果皮厚不厚、含糖量如何，这都是田间观察的工作，对材料有充分的认识是必要的。”泛基因组是一个物种中所有个体基因组信息的总和，构建泛基因组可以有效解决单一参考基因组带来的信息缺失和分析偏差。而超级泛基因组则代表一个属内所有物种的基因组信息，尤其蕴含了野生种中丰富的基因组变异，是对泛基因组的进一步扩展，在远缘杂交和基因发掘等方向具有重要应用前景。想要将野生西瓜中的抗病耐逆优良基因导入栽培西瓜，需要先得到野生西瓜的参考基因组，然后再构建包含所有野生种的西瓜属超级泛基因组。收集西瓜属全部7个种的代表性材料成为团队的首要任务。项目启动时团队已收集了5个种的材料，并从中国农业科学院国家种质资源研究库引进第六个种。而最后一个种也就是诺典西瓜的获取，则困扰团队许久。从国外引进种质资源程序复杂、审核严格，团队克服种种困难终于拿到了诺典西瓜的种子，然而播种一两个月后没有一点发芽迹象。团队想尽办法，最终均以失败告终。“后来，张兴平老师得知美国农业部种质资源中心有我们所需要的材料，而且有植株，于是我们立刻联系相关负责人以及美国测序公司，由美国农业部种质资源中心的合作伙伴取样后送到测序公司测序，然后将结果反馈给我们。”邓云回忆。正是对每份西瓜材料都了如指掌，才使他们在后期面对审稿人质疑“材料不对”时，第一时间不是自我怀疑，而是摆出证据。他们花费近一个月的时间，仔细查找材料信息和审稿人的相关文章，并与种质资源库负责人进一步核实后，委婉回复了对方。“作为一个研究西瓜40多年的人，张兴平老师可以说是全世界最了解西瓜的人。”邓云说，“我们对材料非常自信。”构建T2T水平超级泛基因组的过程，如同一场三棒接力赛。第一棒是深入田间地头种植材料，不断取样；第二棒是送样测序；第三棒则是数据分析。第一棒完成后，就到了测序阶段。应用最先进的三代测序技术，团队虽然完成了基因组的初组装，但是仍然难以做到全部实现T2T和无缺口的组装。2021年底，随着李博生加入团队，利用他研发的选择性测序方法和超长测序技术，全部基因组均实现了T2T和无缺口的组装。测序工作完成后，何航则带领团队夜以继日完成最后冲刺。“顶层设计、严格把握细节、沟通分析进度，团队每个人都在张兴平老师的带领与激励下埋头苦干，朝目标持之以恒地迈进。”邓云说。终于，他们的研究成果实现了西瓜科研领域的重要突破。他们构建了西瓜属T2T超级泛基因组，这是世界首个最全面的西瓜属基因组序列图谱和变异图谱。中国科学院院士黄三文评价道：“这项研究为优良抗性基因的发掘和研究奠定了基础，为更好利用野生资源改良育种指明了方向。”“该研究为西瓜精准分子设计育种提供了最高质量最全面的参考基因组，有助于更加快速准确地挖掘功能基因和开发育种技术。”邓云表示。相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41588-024-01823-6
https://doi.org/10.1038/d41586-024-02265-0
