12月3日，何梁何利基金2024年度頒獎大會在北京隆重舉行。本年度何梁何利基金科學與技術獎共授予56位杰出科技工作者，其中“科學與技術成就獎”1位，“科學與技術進步獎”33位，“科學與技術創新獎”22位。青島農業大學園藝學院院長張忠華教授榮獲“科學與技術創新獎”（青年創新獎），為青島市唯一獲獎者。

青島“甜瓜”教授做強瓜類種質芯片

據悉，何梁何利基金獎是何梁何利基金設立的獎項，1994年3月30日由香港愛國金融家何善衡、梁銶琚、何添、利國偉先生捐資設立，旨在獎勵取得杰出成就和重大創新的科學技術工作者，促進中國的科學與技術發展。何梁何利基金獎共設有何梁何利基金“科學與技術成就獎”、何梁何利基金“科學與技術進步獎”、何梁何利基金“科學與技術創新獎”（下設青年創新獎、產業創新獎、區域創新獎三類），每年評選一次。今年是何梁何利基金成立30周年，30年來，共獎勵了1638位科技工作者，成為我國社會力量創設科技獎項的成功范例，為激發我國科技發展的活力、培養自主創新人才發揮了積極作用。

作為蔬菜分子遺傳育種領域的領軍人物，張忠華教授憑借多年的科研積累與創新思維，在甜瓜、黃瓜等葫蘆科作物中率先開展了基于基因組演化和組學大數據等加速功能基因的研究，大大推動了葫蘆科生物學和分子育種的進展，也為同行研究提供了新的研究思路。

當前，隨著基因組學和分子生物學等生命科學的飛速發展，世界前沿種業創新進入了以“生物技術+人工智能+大數據信息技術”為特征的育種4.0時代。然而，由于瓜類作物如黃瓜、甜瓜、冬瓜等在基因組結構、性狀基因調控機制不明等方面存在諸多困難，如何高效解析功能基因、提升育種效率仍然面臨巨大挑戰。甜瓜是世界范圍內的重要瓜果類作物，2024年以來，青島農業大學園藝學院張忠華教授團隊迎來了甜瓜功能基因組研究收獲的小高峰，先后在國際重要期刊連續在線發文，分別涉及葫蘆科果實發育共有調控元件、薄皮甜瓜酸味調控、甜瓜果實變苦以及甜瓜遺傳育種基因型鑒定等相關研究發現，加速了以甜瓜為代表的葫蘆科作物生物學和分子育種的進展，為做強瓜類種質芯片，端牢“中國飯碗”注入強勁動力。

錨定目標，投身瓜類基因組學研究

1979年，張忠華出生在山東聊城的一個農村家庭。1997年，他考入青島農業大學的前身萊陽農學院園藝系，本科期間的學習讓他對生物信息學產生了濃厚興趣。2001年，他進入浙江大學碩博連讀，專注基因組與生物信息學的研究，經常思考的是如何將基因組學與生命科學的最新成果融入現代農業，用科技力量驅動農業轉型升級。2006年博士畢業后，張忠華加入中國農業科學院蔬菜花卉研究所。在入職不久后的2007年初，張忠華就參與了研究所發起的一項多邊合作的大型植物基因組計劃——國際黃瓜基因組計劃，該項目專注于葫蘆科瓜類作物，特別是黃瓜的功能基因組研究，探索其基因組結構特征與演化規律。

“黃瓜的基因組相對較小，但其中近30%的區域是由大片段復雜重復序列組成的著絲粒區域，這一比例遠高于水稻、玉米等作物，嚴重增加了我們基因組解析的難度。”張忠華介紹道。面對這一挑戰，張忠華主動承擔起黃瓜的生物信息學分析的重任。項目時間緊迫、任務繁重，他對傳統分子標記技術進行了創新性改進，顯著提高了篩選效率，為黃瓜遺傳圖譜的構建和基因組序列的解析提供了堅實的支持。

黃瓜與甜瓜、西瓜、冬瓜、南瓜等瓜類作物在植物分類學上均屬葫蘆科植物，起源于共同的祖先。張忠華作為主要完成人，率先利用第二代測序技術解碼了首個蔬菜作物——黃瓜的基因遺傳密碼，隨后又主導或參與了冬瓜、西瓜的全基因組遺傳密碼解析。

張忠華團隊通過比較不同瓜類作物基因組，確定了各作物間的基因同源對應關系，并發現目前已知葫蘆科作物應該起源于一個擁有15對染色體的祖先基因組，然后經過染色體多次斷裂和融合等，形成了目前染色體數目豐富多樣的葫蘆科作物基因組。其中，冬瓜保留了最多的祖先狀態，十分有助于推測基因的祖先狀態和演化規律。這些發現為未來葫蘆科作物的比較基因組和重要功能基因研究提供了重要參考，也為葫蘆科物種間的遺傳和基因知識相互利用奠定了基礎。

攻堅克難，構建黃瓜、甜瓜等全基因組變異圖譜

“科研中，有時實現從0到1的跨越，比從1到100的積累更加艱難。”張忠華對此深有體會。種質資源是研究農藝性狀分子機理的重要素材，也是育種突破的關鍵。作為主要組織者，張忠華團隊耗時多年收集了全世界近6000份具有代表性的黃瓜、甜瓜、冬瓜種質資源，并對這些資源的基因遺傳信息進行了系統研究。研究發現，與絕大多數作物相似，黃瓜、甜瓜和冬瓜都經歷了馴化、育種改良等過程，而后傳播到不同地域，分化形成了不同的種質資源類群。張忠華表示：“在馴化改良過程中，這些作物發生了多種性狀改變，包括果實變大、脫苦、開花時間提前等，同時，我們發現這三種的作物6000多個基因對應這些性狀改變也發生了演化變異，成為研究這些性狀的關鍵候選基因。”這些發現為植物馴化研究提供了新知識，也為瓜類種質資源的育種利用提供了理論框架。

張忠華深知科研之路的艱辛與不易。他坦言，“科研是一項充滿未知的探索。一個項目可能需要三到五年，甚至更長的時間，這期間還可能面臨一無所獲的風險。”在黃瓜、甜瓜全基因組變異圖譜的研究中，課題組追溯分析甜瓜的悠久栽培歷史，巧妙地運用了數量性狀遺傳定位、全基因組關聯分析以及基因表達分析等多維度手段。對此，張忠華強調，“我們對每一個樣本都進行了嚴格的質量控制，以確保數據的準確性和可靠性。”這項研究歷時多年，克服重重困難，最終鎖定了超過200個與重要農藝性狀緊密相關的候選基因與位點，為黃瓜、甜瓜等瓜類作物的遺傳改良、新品種選育乃至產業的可持續發展提供了寶貴的基因資源與理論支撐。

步履不停，揭示系列農藝性狀功能基因和調控元件

黃瓜品種的遺傳差異如何影響其味道？對普通的“吃瓜群眾”來說，就是一個口感問題，但對從事瓜類育種的張忠華團隊來說，背后卻涉及大量基因研究工作。他們整合了基因組、轉錄組、代謝組等大數據信息，開發新方法來分析基因結構、演化和表達，成功克隆和定位了控制雌花性別決定、苦味、果實發育等性狀的50多個基因。

在實際種植中，針對黃瓜、甜瓜果實易變苦的問題，張忠華團隊發現了控制苦味物質合成的基因：黃瓜有9個，甜瓜有10個。他們還發現，不同器官中存在不同的“開關”基因，如Bl和Bt基因分別在黃瓜葉片和果實中控制苦味物質合成，Br基因則是甜瓜生產中激素處理導致果實變苦的關鍵。這些發現為植物學果實發育、風味形成等重要科學問題提供了新的知識，并為分子設計育種提供了精準靶標。甜瓜生產中使用CPPU（一種常用的植物生長調節劑）可促進果實膨大，但經常導致果實苦味，成為產業的一個棘手問題。為此，張忠華帶領團隊在實驗室里進行了無數次的實驗，并深入田間考察研究。“研究不能僅限于實驗室，必須走到田間解決實際問題。”張忠華說道。通過實地觀察和對CPPU處理后的甜瓜果實進行分子分析，團隊發現了調控苦味產生的特定基因，并利用先進的基因編輯技術，成功培育出了果實不苦的甜瓜品種。

黃瓜、甜瓜產量很大程度上受果實數量影響，張忠華團隊長期對雌花（能發育成果實）、雄花發育等影響結瓜數目的生物學問題開展了深入研究，發現了控制黃瓜全部開雌花（具有高產量潛力）的關鍵基因和變異，并在甜瓜中也發現了高繁殖力的控制基因，為將來培養高產品種提供了科技支撐。

另外，團隊還利用葫蘆科多物種的基因序列演化特征開發了新策略，鑒定了1600多個控制葫蘆科瓜類果實的共同關鍵調控元件，為將來基因時空表達機制研究和基因精準育種調控提供了關鍵信息。

不斷攀登，推動甜瓜黃瓜產業化新突破

在張忠華的科研生涯中，實驗細節總是被賦予極高的重視。他經常強調：“每一個實驗步驟，無論多么微小，都可能對最終的研究成果產生決定性的影響。”在黃瓜基因組研究中，張忠華團隊選擇了12個代表性黃瓜種質資源，并完成了染色體水平的基因組組裝。他介紹道：“我們對這些基因組序列進行了詳盡的比較分析，發現了多個特大DNA片段倒位變異。”這些發現就像是為黃瓜進行了一次全面的“基因體檢”，揭示了290萬個微小的遺傳差異、140萬個小的插入或缺失，以及5.6萬個較大的基因結構變化。張忠華進一步解釋說：“通過這些發現，我們構建了一個黃瓜基因的全景圖。利用這張地圖，我們能夠研究黃瓜的不同特征是如何由基因決定的，這就像是找到了控制黃瓜特征的‘開關’。”

2022年3月，這項研究在《自然通訊》（Nature Communications）在線發表，為黃瓜重要基因的挖掘和育種改良提供了重要參考。同年，張忠華“葫蘆科作物功能基因組學”項目榮獲國家自然科學基金杰出青年科學基金資助，實現了青島農業大學國家自然科學基金杰青項目的歷史性突破。

華南黃瓜味道變苦會嚴重影響市場銷售，為解決這一問題，張忠華團隊挖掘研究關鍵基因信息，開發了30多個分子標記，并為甜瓜和黃瓜開發了全基因組背景選擇芯片系統，分別包含2000個和600個標記，可縮短回交選育進程4~5個世代，并可用于純種與品種鑒定、遺傳定位等育種領域。目前，這些技術已在中國農科院蔬菜所、山東省農科院等進行了應用，推動黃瓜、甜瓜等育種進入分子設計時代。

在此基礎上，合作者培育了“蔬研”系列黃瓜品種，成功解決了華南黃瓜品種變苦而喪失商品價值的生產難題，并提高了產量，累計推廣約100萬畝，創造約80億元的經濟價值，取得了顯著的社會效益。

張忠華教授的科研追求從未因過往成就而止步，他對科研的熱忱推動了他在瓜類基因組學研究的持續進步。展望未來，他將堅守科研初心，以不懈的努力和滿腔的熱情，在蔬菜基因組學的研究領域中不斷追求卓越，精益求精。

（半島全媒體記者 吳璟 通訊員 周維維 姜妍）