苦黄瓜寻根记

    6万棵黄瓜的叶子尝下来，黄三文研究团队的二十几个成员练就了非常能“吃苦”的舌头，也落下了“吃什么都要品品苦味”的“毛病”。这一点不夸张，当每天嚼几百片苦叶子，连嚼二十几天的时候。

    揪下一片黄瓜叶，放进嘴里嚼几下，一股猛烈的苦味袭来，吐出来，赶紧漱口，“特涩特干，舌头像被烫过一样。”对于43岁的中国农科院蔬菜花卉所研究员黄三文来说，比舌头更焦灼的是心情。

    绝大多数黄瓜叶子极苦，尽管这些黄瓜经过了基因“诱变”，但想从6万棵中找到不苦的叶片几率仍然非常低。“这是一项非常艰巨的工程，有可能什么都发现不了。”终于尝到一棵黄瓜的叶子不苦时，闷热的大棚沸腾了：“一群人冲过去都揪那个叶子尝！” 

    “你愿意去吃苦瓜，但你不愿意去吃苦的黄瓜。”国际黄瓜基因组计划首席科学家黄三文进行了长达5年的研究，终于发现了黄瓜苦味物质的基因成分，并找到了在果实和叶片中控制苦味的基因开关。这不仅将解决黄瓜变苦的问题，还为将来开发治疗癌症的药物打下基础。

    研究成果11月28日作为封面文章发表在国际顶级学术期刊《科学》上。身兼美国、德国和英国科学院院士的德国马普学会发育生物学研究所所长Detlef Weigel兴奋地给黄三文发邮件：“酷！这是一项漂亮的杰作，是科研教学的完美案例！”

    苦味藏在哪儿

    不光家畜是从野生动物驯化而来的，其实蔬菜也有狂野的过去。黄三文告诉记者，黄瓜的祖先长相狰狞，它们荔枝大小，通体碧绿，像海胆一样满身是刺，果实极苦，轻咬一口就让人肠胃尽空。“除非当作泻药，否则你不会想去吃野生黄瓜的。”论文合著者、加州大学植物生物学教授威廉姆·卢卡斯对媒体说。

    但在五千多年前的一天，一个或许吃坏了肚子的印度人咬了一口野生黄瓜，却与清香不期而遇，他惊喜地留下了这株黄瓜的种子，开始自己种植。经过一代又一代的挑选，那些个儿大、味甜、刺少的品种被广泛种植，黄瓜也逐渐从野生草药被“驯化”为一种蔬菜，并逐渐传到世界各地，我国的黄瓜是张骞出使西域带回的种子。

    “驯化其实就是一个人工选择的过程。”黄三文介绍道，尽管对人类有利的特点得到了强化，“野性难驯”的黄瓜们还是在叶片中保留了祖先的苦味，遇到干旱、高温、低温等不利于生长的条件，一部分果实也会变苦。

    这给吃黄瓜增添了几分冒险意味：《自然》资深编辑Skipper女士的奶奶煞有介事地告诉她，黄瓜要削对了皮才好吃，方向削反了就苦了。黄三文的奶奶也念叨着“晴苋菜雨黄瓜”，雨水少了黄瓜苦。

    如今，黄三文推测，这是黄瓜在进行自我防卫，“植物在不利的生长条件下种子会成长得更快，变苦很可能是为了保护果实不被动物们吃，好繁衍后代”。

    然而，农民大规模种植的环境往往难以控制，原本口味清甜的黄瓜临近上市却变成“苦瓜”，这令育种专家们大伤脑筋。以荷兰为代表的欧美国家采用了“简单粗暴”的方法——把黄瓜苦味物质葫芦素C破坏掉，使整株黄瓜完全产生不了苦味，结果果实自然不苦了，但同时牺牲了叶片的抗虫性。在荷兰瓦赫宁根大学获得植物育种学博士学位的黄三文对荷兰黄瓜的“底细”很是了解。

    “果实苦对农民生产上是不利的，但叶片苦对植物抗虫性本身是有利的。要兼顾两者，就必须得理解它为什么变苦，扬长避短。”黄三文决心为苦黄瓜寻根，从基因中找到黄瓜变苦的秘密。

    合成黄瓜苦味物质葫芦素C的9个基因藏在黄瓜2.4万个基因里，借助黄瓜基因组大数据，黄三文团队仅用了5年时间就找到了可能的基因。

    “证明这些基因的功能太复杂了，在黄瓜里还不太能验证它，我们是在酵母里进行的。”黄三文团队把合成葫芦素C所需“原材料”和“加工”原材料的基因一起放进酵母，通过能否进一步合成葫芦素C判断是不是该基因在起作用。

    3个基因的功能和运作机理在酵母中得到了验证，接下来的研究却陷入了僵局，用了几百升酵母以后，黄三文无奈地笑说：“可能酵母也不喜欢苦味。”

    在酵母中受挫，研究者们转向直接从黄瓜叶片中找答案。6万棵黄瓜的叶子被全部收集起来，足有一吨重的叶片在化工厂里进行醇化，把成千上万种物质一点点分离开，提取出只差最后一道基因“加工”工序的葫芦素C半成品，仅有几毫克，“相当于从10亿人中挑选到你愿意与他／她过一辈子的人”。加入最后一个基因后，合成了葫芦素C。至此，合成葫芦素C的9个基因，以及其中4个的运作机理找到了。为了这个，湖南农大曾建国教授把他的化工厂停产了几十天。 

    寻找苦味开关

    这9个基因如同机床上的9条机械臂，源源不断地制造着苦味物质葫芦素C，机床的启动由两个“主开关基因”控制。被驯化的黄瓜中，控制果实苦味的主开关常是关闭的，因而味道清爽，叶片苦味开关则开启着，以抵御虫害。但生长条件一不如意，一些“任性”的黄瓜便把果实上的苦味开关打开，9个基因立即紧锣密鼓地批量生产葫芦素C，果实也就变苦了。

    想培育出口感好、抗虫性强、甚至可做药用的“超级”黄瓜，必须把苦味开关的控制权从黄瓜手中夺过来。黄三文的合作伙伴，湖南蔬菜所的陈惠明研究员把10多万颗黄瓜种子放在诱变剂中进行诱变，在极少数情况下，控制叶片苦味开关的基因会出现变化，找到叶片开关失灵的植株是进一步研究的关键。

    他们把10多万颗种子中存活的6万颗种下。黄三文深知变异几率之小，只能尽可能地把15亩地种满，这几乎是一场赌博，“必须要有这个量，如果只种了5.9万棵，可能不苦的那两棵就在没种的1000棵里”。 

    基因突变的黄瓜们沐浴着科学家殷切的目光成长了起来，下一个问题接踵而至：怎么判断黄瓜的叶片苦不苦？还没有这么多仪器能直接作出大规模分析，“最简单、最便捷的方式就是靠人去尝”。黄三文研究团队加上前来帮忙的学生，一共二十几人，2012年整个暑假都在闷热的大棚里进行“化学分析”，使用的就是“最原始的仪器”——舌头。

    卢卡斯团队种了一部分黄三文送的黄瓜种子，也进行了小范围的品尝。“这个研究还挺容易的。”卢卡斯教授开玩笑道，“你只要嚼一小口黄瓜叶子，舌头就给你读数啦！” 

    为了防止出现“误读”，每个“仪器”都要配备一大瓶水，每“化验”完一片要立即漱口，“要不尝不出下一棵是苦还是不苦”。3人一组同时品尝，结果一致才能最终判定。18万口苦叶子尝下来，终于找到了两株不苦的，叶子几乎被扑上来的研究者们“抢食一空”，种子则被非常金贵地保存了起来。依靠这两棵“吃苦”得来的研究材料，黄三文团队找到了控制黄瓜叶片苦味的开关，对照其结构和功能在果实中寻找，又“顺藤摸瓜”地找到了控制黄瓜果实苦味的开关。

    黄瓜苦味和驯化的秘密被揭开，“这揭示了驯化如何改变了黄瓜基因……理解了这一过程，也许可以帮助其他原本不能吃或者没营养的作物被驯化”。第一作者尚轶很开心。他从清华博士毕业5年了，一直在攻关这个项目，没有发表过任何其他论文，职称也只能停在助研。黄三文很欣赏这位80后助手。

    黄三文请整个团队喝了香槟庆祝，随手翻开桌上一本《美国国家地理》杂志，这位海归博士却不禁有些感慨：“你看孟山都把每个玉米种子都用机器切下去一块，这不影响它萌芽生长，但可以通过这一块小的东西去分析基因组，判断这颗种子到底播不播种。”黄三文从国外玉米育种图片上抬起眼睛：“人家已经把工作做到这个程度了，我们还在用舌头、眼睛、尺子，想要把农业育种搞起来，必须要用到基因组技术，这是我想做的事情。” 

    还是一个灰箱子

    跟随好奇心去了解事物的原委是黄三文最喜欢的事：“我对揭示事物的本质很有兴趣，这是我科学探索的真正动力。”年过七旬的卢卡斯教授说自己“永远19岁”，黄三文很赞同：“我们搞研究就是要像孩子一样保有初心。” 

    出于好奇的广泛涉猎还带来了意外收获——从《本草纲目》中发现了苦黄瓜叶子的药用价值。黄三文从书柜里搬出像两块砖头那么厚的《本草纲目》，翻开折页，“胡瓜”条目上划了线：“清热解毒利水道，叶苦，有小毒。”

    研究者们认为起作用的正是葫芦素C，这已经在研究中得到了证实：癌细胞对葫芦素C很敏感。此外，控制血糖的效果也很明显。黄三文课题组已与协和医学院合作，后者专门从事葫芦素C药用价值的研发。 

    研究被报道后，一个大连农民直接打电话到农科院，“问我们要苦黄瓜的种子，他已经准备做药用了！”苦黄瓜的种子现在还没有。但是根据现在的发现，经历千百年“驯化”的黄瓜或将被“反驯化”，“用种植黄瓜与野生黄瓜进行杂交，果实就能又大又苦，弥补野生黄瓜太小不好入药的缺陷”。用于食用的也将是“超级黄瓜”，叶子能抗虫，果实在任何条件下不会变苦。

    黄三文不无遗憾地把“加工”葫芦素C的机床比作“灰箱子”，因为已经知道了箱子里的9个基因是什么，也找到了开关和其中4个的运作机理，但还有5个基因的作用尚不清楚。

    等最后一层灰布揭开，它的药用价值也将得到开发，葫芦素C将会像抗疟疾的青蒿素一样在酵母中大规模生产，“啤酒中就有酵母，说不定还能生产出具有抗癌功效的苦啤酒呢！”黄三文坚信葫芦素C会有广泛的应用前景。

    但更多的时候，这位科学家强调基础研究走向应用需要一个漫长的过程，社会应该给搞基础研究的人多一些宽容，“不要去追问有什么用，等到研究出来了自然会有用”。至于究竟怎么用，是搞应用研究的科学家应该操心的事了。黄三文课题组已经确定了之后研究的方向，当黄瓜葫芦素C的秘密全然揭开以后，下一个目标是甜瓜的葫芦素B。

    黄三文的生活似乎已经与各种苦苦甜甜的瓜缠在一起无法分开了，每去饭店，朋友必点“乳瓜蘸酱”，他也总是给朋友们“科普”一下黄瓜品种再吃；电脑桌面上是妻子画的黄瓜图，两根缠绕着的卷须下面吊着一根顶花带刺的大黄瓜。“还挺像的吧？就是黄瓜卷须应该是一根，她故意多画了一根，代表DNA双螺旋！”黄三文说。

    问及生活中有什么爱好，黄三文想了想说“打球”，然后又翻开桌上的《美国国家地理》杂志，饶有兴味地说：“你看这每期都有一个关于食物的专题……”

    他的办公室里，似乎唯一跟科研没有关系的就是桌上的一本《甘苦诗文集》了，黄三文笑笑说，这是自己高中语文老师送的。甘苦是老师的名字，有苦尽甘来的意思，也代表了老师对他科研事业的期许。