深瞳工作室出品
科技日報記者 趙漢斌 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
中國科學家董揚等聯合“一帶一路”沿線為主的17個國家的79位科學家，把葡萄的栽培史提到了11000年以前，解決了學術界對葡萄起源長達百余年的爭議，構建了幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關系譜系圖，提供了葡萄定向育種和設計育種新技術路徑。
云南農業大學葡萄研究團隊以番茄為模型，驗證了顏色、香氣等大量葡萄品質性狀控制基因，實現葡萄的高效率基因編輯，搭建了功能基因組技術平臺。圖為番茄模型實驗。受訪者供圖
作為世界四大水果之一、全球綜合產值最大的經濟作物之一，葡萄具有重要的經濟、社會和文化價值。但鮮食葡萄和釀酒葡萄從哪里起源？經過多久才被人工馴化……這些問題一直困擾著科學界。
近期，年輕的中國科學家董揚等聯合“一帶一路”沿線為主的17個國家的79位科學家，把葡萄的栽培史提到了11000年以前，解決了學術界對葡萄起源長達百余年的爭議，構建了幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關系譜系圖，提供了葡萄定向育種和設計育種新技術路徑。
回首科研路，帶著累累碩果，記者跟隨科學家沿著“一帶一路”，來一次穿越萬年的旋風之旅。
達爾文開了個頭，卻沒有給出結論
15000年來，人類馴化了300多種動物和植物。歷盡洪荒，從狩獵—采集社會，過渡到農業社會。
植物的引種馴化，是指經過人工選擇、栽培，使野生或外來植物適應本地自然環境，并為人所利用，其本質是將基因多樣性變化導致的不同性狀表型，在層層選擇和改良中加以保留或摒棄，形成農業作物的品種和品系。
葡萄約有60個可生育的野生種，北美約有28種，東亞約有30種，它們喜歡生長在海拔200米至1500米間的溫帶山坡、溝谷林、灌叢和針闊混交林緣地帶。
由于未經人工引種馴化，野生葡萄穗粒小，產量低，口感酸澀，它們往往還是雌雄異株，這意味著自然界中的葡萄，只有一半可以結果。“古人選擇了突變的雌雄同株，通過人工馴化，將其保留和傳播開來。”云南農業大學教授董揚說，就此使栽培型葡萄產量遠高于野生葡萄，同時形態、顏色、香氣也呈多樣化。
伴隨著人類文明進程，作為水果和釀酒原料，葡萄分布漸廣，品種日益繁多，目前全世界登記在冊的品種約有11000個。
達爾文在《物種起源》第一章，描述了一個非常有意思的現象：家養動物和家養植物與它們的野生祖先有很大的形態差異。多年后，他又寫下《動物和植物在家養馴化下的變異》，詳細講述人工馴化的動物和植物。但家養馴化動物和植物是何時何地如何進行的，達爾文開了個頭，卻沒有給出結論，留下一個百年謎題，葡萄便是其一。
在自然條件下，要形成一個新物種最短也需要幾十萬年，而人工馴化環境下，僅用幾千年時間就可以形成一個相對獨立的物種，很多家養物種的形態、特性都和野生祖先產生了巨大的差異，形成了生殖隔離，符合新物種標準。人工馴化與自然選擇迥異，很多物種特征滿足人工馴化需求，卻不利于在自然界中自然繁衍，但有利于人工繁育。
在國際上，葡萄學是與園藝學平行的獨立學科，足可見人們對葡萄的偏愛與倚重。
大多數葡萄學教科書都認為，人工栽培葡萄起源于大約8000年前；同時，對葡萄起源地也一直存在爭議，不同教科書中有不同的答案，但大多數認為葡萄起源于地中海附近，是單一區域起源，鮮食葡萄和釀酒葡萄起源也可能有先后。
“針對諸多疑問，2017年，我們開展了第一階段探索性研究，在全國和亞洲范圍內收集了472個葡萄遺傳資源進行基因組分析。”董揚說，那時，他們只試圖探索基因組方法是否可應用于葡萄的遺傳資源分析。
“當時我們提出，現代葡萄可能在黑海地區起源，具體什么地方不清楚，起源馴化時間大約在7460年前。”云南農業大學原校長、教授盛軍告訴科技日報記者，但這個結果提出后非常有爭議。為深入開展科學研究，讓理論更加完善，云南農業大學生物大數據重點實驗室研究團隊很快展開了另一項研究。
研究樣品。受訪者供圖
攜手17國科學家，揭示葡萄遺傳密碼
此前，由于我們缺乏大規模基因組遺傳變異數據，導致無法解析葡萄馴化和傳播歷史，也嚴重阻礙了葡萄的性狀改良。
在2017年的研究中，董揚等人驚奇地發現，全世界所有葡萄品種中，中國葡萄可謂“特立獨行”。
“我們的葡萄，多多少少都有‘京秀’這個品種的遺傳影子，一方面說明‘京秀’對葡萄育種很重要；同時這也告訴我們，中國葡萄的遺傳圈非常狹窄，導致受其影響的韓國葡萄資源也非常狹窄。”董揚說，日本也是先從中國引進了一些品種，后來才使用歐美的一些品種作為育種材料，培育出抗病、豐產、耐貯藏的夏黑葡萄，以及果肉鮮脆多汁、有玫瑰香味、不裂果、不脫粒的陽光玫瑰葡萄等品種。
“如果了解了葡萄的起源、馴化和遷徙問題，我們就可以有針對性地對其進行品種選育。”董揚解釋說，和很多果樹育種一樣，早期人們利用自然突變——也就是芽變以及扦插來進行葡萄育種。
要解決這一系列問題，需要從全球尺度出發，才能得到有價值的結果，也就是說需要在全世界范圍盡可能多地收集栽培葡萄的樣本。這在幾年前，幾乎是不可能的事。
被同事和同行稱為“外星人”的董揚，年輕，活躍，精力旺盛，有著超凡的組織能力。他隨即通過網絡，旋風般地向全世界同行發出邀請合作郵件，請他們把樣本資料和已有的信息匯集到中國，并很快得到了17個國家科學家的響應。
“非常幸運，合作始于2019年初，在當年年底前，就已經完成了5000份樣本材料和數據的匯集。”盛軍說。
這些樣本，有的來自南半球的智利、澳大利亞等國家，有的來自美、英、德、法、日等國，更多是“一帶一路”沿線各國科學家的協作。在地圖上把他們的國家連成線，與古代陸上“絲綢之路”線路高度吻合。
5000份樣本，并非都是獨立的品種，其中約有800份遺傳背景接近，被定義為克隆株，得對其進行基因組序列分析并加以過濾，這需要極大的耐心和相關學科豐富的學識經驗。“經過仔細梳理、排查，我們把一些重名、錯誤名的樣品剔除，再測序比較，它們之間的親緣關系才能清楚準確地顯現出來。這是研究最大的難點。”董揚說。
“葡萄項目的推進，非常依賴國際合作。合作中，我們采用一套非常嚴格的樣本傳遞方法，并同每家合作單位簽署材料傳輸許可協議（MTA）。”云南農業大學副教授陳偉說，這樣就可以明確樣品的所有權、來源是清晰可追溯的；在研究成果共享方面，也設定了相應機制：每家單位提供樣品后，可優先訪問由其產生的數據，并可對其進行獨立分析。
“在合作中，樣本郵件傳送的影響特別大。”董揚說，受新冠疫情影響，有很多合作者只能待在家里工作，但資料又都在辦公室、實驗室。即便是電子郵件溝通和確認，也頗為費事。
一位不愿透露姓名的澳洲合作者，已年逾七旬，過著隱士生活，獨自居住在山區農場里。“每次找他，都得聯系他的家人。他的家人又開很長時間的車，然后轉告他我們的需求。等他到了小鎮上，找到電腦，才能給我們回復郵件。但總體來說，溝通都非常融洽。”董揚說。
格魯吉亞的三位合作者，提供了非常重要的野生葡萄樣本。他們中，有一位并不精于英語。“每次交流，我們都請他的同事聯系他，雖然很遲才回復郵件，但他非常支持我們的工作，給了我們很多指導，有時候用英語夾雜格魯吉亞語言來回復，或借助翻譯軟件來交流。”董揚說。
這一切，在新冠疫情期間艱難推進。三年間，世事變幻，數據和成果在不斷產生，而參與的科學家中，卻有兩位不幸離世。
說到這里，董揚的鏡片已經起了一層薄霧。
研究成果登上《科學》封面。受訪者供圖
最早馴化的水果，登上《科學》封面
2023年3月3日，79名科學家的合作，終于開花結果，并登上了《科學》封面。
累累碩果下，最醒目的兩個詞是“馴化”“葡萄”，正文標題為《葡萄演化中的雙重馴化及其性狀起源》。同時，期刊還配發了不乏溢美之詞的評論。該研究的主創人員還將受邀參加2023年《科學》年會。
“這是我國年輕科學家牽頭，采用超大規模基因組數據和復雜數據分析方式，聯合全球科學家在葡萄生物資源研究方面取得的重大成果。既是中國青年科學家致力于國家科技自立自強的驕傲，也是中國科技與世界科技創新合作的典范。”云南省科學技術廳黨組書記、廳長王學勤說，同時這也提示我們，人類要破解共同發展難題，當今比以往任何時候都更需要國際合作和開放共享。
進入分子生物學時代，分類學界判斷物種的關聯及演化歷史，不再僅憑外表，而是按照基因組的相似性來分類——相似的都是一個來源，然后通過DNA序列變異規律推算“分子鐘”，可準確反映物種分化的時間。
通過復雜的測序分析，董揚他們發現，11000年前，由于氣候變化，野生葡萄自然分化成東西方兩個群體，古人在相距1000公里的近東地中海東岸與南高加索，幾乎同步馴化和改良了葡萄品種。隨著人口遷移和貿易往來，葡萄也被傳播到全世界。
“馴化伴隨著很強的目的性。持續的選擇，野生種和栽培種徹底分開，形成了如今的葡萄品種格局。”陳偉說，人類最早馴化的作物是小麥，大約在15000年。但人類最早馴化的水果是什么，此前并不清楚。新的研究證明，葡萄就是人類最早馴化的水果。
研究中，產生的數據超過40TB，需要的存儲空間、算力也是個大問題，新冠疫情的影響此時也更加凸顯。年輕的團隊基于此前的工作，想盡辦法創新算法，調整把控參數，創造性地形成了一套運算和數據分析處理的方法，成功構建了目前全球最大的葡萄遺傳資源數據庫。
“似乎所有可能的問題都遇到了，但也都解決了，這就是科研的魅力——不斷出現問題、不斷解決問題，人生也是這樣。”董揚一副“過盡千帆皆不是”的神態。
解疑中，他們還提出諸多新觀點。此前，大多數葡萄學觀點認為，歐洲釀酒葡萄起源于當地的野生種，新構建的高質量參考基因組證明，事實并非如此。這改變了葡萄學的基礎信息：起源問題是核心，馴化模式是了解葡萄遺傳資源形成的關鍵。對所有疑問的清晰闡述，有劃時代意義。
“這篇文章能夠登上《科學》封面，是有科學方法和翔實數據支撐的。”董揚說。
“這是一個大科學、大合作時代。它之所以被放在封面，是因為這是一個國際合作的大項目，解決了全世界都想要知道的問題。”盛軍說。
有評論指出，新提出的“葡萄雙起源中心”模式，糾正了科學界以前的單起源中心理論，證明釀酒葡萄和鮮食葡萄在不同區域同時起源，而且起源初期遺傳背景具有顯著差異，形成了葡萄起源和遷徙的一致觀點，改寫了葡萄研究的教科書。
《科學》配發的評論則認為，支撐人類文明崛起的植物馴化，越來越被認為是文化景觀中復雜的相互作用。董揚等人通過報道葡萄馴化事件，揭示了食物來源更多的復雜性。
云南農業大學葡萄研究團隊研究人員正在挑選釀酒葡萄樣品。受訪者供圖
精準設計定向選育，出產原創高品質葡萄
張騫，被司馬遷稱有“鑿空”西域之功。西漢建元二年（公元前139年），奉漢武帝之命，張騫率隊打通了漢朝通往西域的南北道路，打通了中國與中亞、西亞、南亞以至通往歐洲的陸路交通，成為絲綢之路開拓者的代表。
“我們的數據也表明，2500年以前，葡萄已沿著貿易商道，從西亞進入我國新疆，再向內地擴散。”董揚介紹，在西安，出土的葡萄籽和葡萄酒，以及葡萄釀酒坊的一些遺跡，都可以充分證明葡萄的傳播歷史，而且傳入時間比張騫時期還早了約330年。
“我們還發現了一些葡萄非常重要的特殊性狀，比如說定位了稀有古老品種麝香葡萄特殊香氣性狀的基因。在現有葡萄品種中，這個基因已極為罕見。”董揚說。
“未來我們可以應用這個基因，讓水晶葡萄具有麝香香型，果農的收益一定會非常好！”曾多年游學歐洲，如今加盟云南農業大學葡萄項目種業開發研究的朱怡帆博士說。
11000多個品種，不同的果型、色澤、甜度、香型，讓人眼花繚亂。“此前，我們針對葡萄的29種表型性狀，進行了連續3年的測定，通過基因組關聯分析，挖掘到了大量和農業性狀相關的基因，解析它們的功能，可為未來葡萄精準育種提供至關重要的工具。”朱怡帆說。
目前，研究團隊匯集1000余個葡萄品種、超過170種葡萄表型性狀，包括果實形狀、香氣、次生代謝產物，甚至根部細節的一些性狀，并系統挖掘與之相關的基因。
朱怡帆等人還非常關注不同的馴化分支，特別是釀酒葡萄和鮮食葡萄在不同的馴化分支上的差異基因。“未來，我們可能在計算機上設計出葡萄育種的一些方法，告訴育種農藝師用什么品種和什么品種雜交，選擇什么樣遺傳背景和基因型的后代，這樣就可以精確快速地進行品種選育。”
朱怡帆透露，目前，相關的一些工作已在緊鑼密鼓地展開。通過精準設計定向雜交選育，未來中國也能出產原創的高品質葡萄。
記者發稿前夕，朱怡帆他們又找到一個控制葡萄早熟的關鍵基因。“把這些基因導入到水晶葡萄中，可以讓它呈現出更漂亮的色澤、口感，或許還能讓人們在春節就吃到新鮮采摘的葡萄！”盛軍說，更為重要的是，這一系列研究，也將為與葡萄并稱“四大水果”的蘋果、柑橘、香蕉，以及其他類型作物新品種的開發提供借鑒。
