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勤于躬耕 勇于创新的水稻遗传育种团队

2015-01-20 来源:人员机构 作者: 图片:

    2015年1月9日,2014年度国家科学技术奖励大会在北京举行,我校万建民教授团队研究项目“水稻籼粳杂种优势利用相关基因挖掘与新品种培育”通过20多年的系统研究,发掘出水稻广亲和、早熟和显性矮秆基因,开发相应分子标记和育种技术,成功培育籼粳交高产水稻新品种,荣获国家技术发明奖二等奖,这距离他上一次带领团队获得国家科技进步一等奖,只有短短的4年。

    这一次,他的团队又是凭借什么科研突破荣获大奖?奖项、名誉的光环之外有着怎样的科研坚守?在可以预见的下一个十年,团队的科研将往何处去?这期间会涌现多少科研新星绽放光彩?带着这些疑问,记者追随着一下飞机就埋首实验室的万建民教授,一同走近了他的团队。

破解“籼粳交”杂种优势有效利用难题

    由于气候条件的差异,我国的水稻产区呈现“北粳南籼”的分布态势,即北方稻区以种植粳米为主,南方稻区则多种植籼米。研究表明,相比“粳粳型”或“籼籼型”亚种内杂种,水稻籼粳亚种间杂种具有强大的杂种优势,一亩地增产达15%-30%。但籼粳杂种存在育性差、结实率低、植株偏高、易倒伏等问题,限制了籼粳杂种优势的有效利用。

    万建民教授团队此次获奖的项目就是围绕这一问题展开,经过20多年的科研攻关,将上述难题一一攻克。一是发掘出17个不育位点及广亲和基因,并发明相应分子标记,聚合广亲和基因,创制广亲和恢复系和粳型亲籼不育系,组配的籼粳交组合结实率稳定在85%以上,有效解决了籼粳杂种半不育难题。二是发掘早熟基因,提出基于感光基因型和光钝感基因的分子设计方法,设计最佳育种方案,获得理想熟期的籼粳交新组合,解决了籼粳杂种超亲晚熟问题。三是发掘显性矮秆及株型关键基因,克隆半显性矮秆基因 D53,阐明其控制株型的作用机理;克隆控制株型关键基因 APC / CTE,明确其作用机理;开发相应分子标记,为培育籼粳交理想株型奠定基础。

    简而言之,就是围绕水稻的育性、熟期和株型,通过对携带优质基因分子的挖掘、标记,再重新聚合的方式,培育出高产优质的籼粳新品种。项目组赵志刚教授告诉记者,与传统的育种手段相比,分子标记聚合技术的优势主要体现在两个方面:一是可以将水稻培育周期缩短1-2年,加快了培育速度;二是提高了聚合优良水稻性状的准确性,是一条有效克服“籼粳交”杂种优势有效利用难题的技术途径。

    通过构建分子标记聚合育种技术体系,万建民教授团队综合籼粳水稻品种的优势,从籼粳杂交后代中选育出粳稻品种3个,其中“宁粳3号”和“宁粳4号”分别被农业部评为超级稻新品种和超级稻主导品种。就目前品种通过情况来说,推广面积超过100万亩的水稻就是“大品种”,据不完全统计,“宁粳3号、宁粳4号”在全国的推广面积已累计超过2000万亩。

    团队还通过聚合广亲和基因和早熟基因,培育广适强优恢复系W107,组配的协优107和Ⅱ优107分别通过国家和安徽省审定,2006年协优107在云南省永胜县1.13亩上创亩产1287公斤的世界最高纪录。

从“有得吃”到“吃得饱”,再到“吃得好”

    水稻的抗性、产量以及品质,是万建民团队的科研关键词,这也对应着中国百姓不断提高的食品需求:首先得“有得吃”,其次要“吃得饱”,温饱之后,是如何“吃得好”。

    位于长江中下游的江苏,是富足的鱼米之乡,“有得吃”似乎不应该成为问题,但由于缺乏广谱抗性品种以及气候等多种因素,导致病虫害发生频繁。例如2004年,由水稻害虫灰飞虱介导的条纹叶枯病在江苏大面积爆发,发病面积达2300多万亩,绝收面积7.8万亩,对水稻生产造成严重损失。万建民教授团队与江苏省农业科学院等水稻育种单位协作攻关,建立了规模化水稻条纹叶枯病抗性鉴定技术体系,进行抗条纹叶枯病水稻种质与基因/QTL挖掘,创建了抗条纹叶枯病分子标记育种技术体系;选育系列抗条纹叶枯病高产优质水稻新品种,实现了南方粳稻区的快速应用,有效解决了我国南方粳稻区受条纹叶枯病危害的难题。“抗条纹叶枯病高产优质粳稻新品种选育及应用”成果因而获得2010年国家科技进步一等奖。

    围绕水稻抗性基因研究,团队的科研攻关脚步并未停歇。2014年团队成功克隆出第一个水稻抗条纹叶枯病基因STV11,并阐述了该基因的功能,成果在2014年9月10日国际权威刊物《自然通讯》(Nature Communication)上在线出版。在水稻抗褐飞虱研究上取得重要进展,克隆了水稻抗褐飞虱基因Bph3,并阐明了该基因的功能,2014年12月8日,国际权威刊物《自然生物技术》(Nature Biotechnology,IF=39.01)在线出版。刘裕强副教授告诉记者:“过去依靠分子标记的选育抗病虫品种,相当于只知道抗病虫基因在哪座城市,而现在知道了抗病虫基因门牌号码,将可以实现抗病虫品种的精确选择,育种效率更高、更可靠、进度更快。”

    有米吃了,什么米才叫好吃?什么人群适合食用什么稻米?这成了万建民教授团队近年来研究的又一突破口。2004年,万建民教授受任“全球营养强化项目”负责人,开始针对大米的多样化需求,培育适合特殊人群食用的大米品种。如针对肾脏病人开发谷蛋白含量低于4% 的低蛋白大米,针对糖尿病人研制的不容易转化为糖的“高抗性淀粉”大米,此外,还在提升大米的口感和营养品质上下功夫,包括改变大米的粘性、弹性和韧性,提升大米中营养营养元素的含量,适应现代人个性多样的主食需求。

“想偷懒的学生,不敢来我的团队”

    1月10日,参加完国家科技进步奖表彰大会的第二天,和无数个平常的周末一样,万建民搭乘当天最早一班航班回到南京,刚下飞机就一头扎进了实验室。在理科楼门卫眼里,万老师此行回宁,和往常一样的脚步匆匆,一样的表情严肃,唯一不同的,只是手里多了个大红本本。

    因为身兼中国农科院作物研究所所长,万建民与南农研究生们沟通的时间放在了周末,“周六最早航班回宁,周日最晚航班回京,这样的节奏一周都没有打破,我的日程表中,没有‘周末’这一说。”
2013年12月以来,短短的一年多时间,万建民教授团队在影响因子9以上的国际权威期刊Nature、Plant Cell、Nature Communication、PNAS、Nature Biotechnology相继发表重要论文,文章的第一作者大多是项目组的年轻教授、副教授以及博士研究生,万建民为通讯作者。

    在外人看来,这是一支名副其实的科研高产梦之队,作为团队领头羊,万建民有着怎样的带队经验可供分享?“要进我的团队,无非就是两条:勤奋+兴趣,兴趣可以培养,关键是勤奋。想偷懒的学生,不敢来我的团队。”

    万建民看重的“勤奋”也对应着其带队作风的“严格”,除了每周抽出固定的时间和学生沟通科研进展外,在他的课题组,对科研进展的定期汇报必不可少,博士生平均一个月一次研究汇报,一年平均两次实验室全体成员的集中汇报,这个“规矩”雷打不动。

    万建民看重“言传身教”,自我要求的严格正在慢慢影响他的学生,这也深得其在日本京都大学攻读博士时的导师池桥宏先生(Hiroshi Ikehashi)的真传。“我的博士论文被池桥先生改动了25次,每一次都是在我的打印稿上亲笔修改,大到内容数据,小到文字语法,25天每天一稿,这令我深受感动。”

厚积薄发  薪火相传

    一年内在国际权威期刊发表5篇文章,引来外界惊叹,但在课题组同仁看来,这些成果是长期科研躬耕的积累,可谓厚积薄发、水到渠成。

    项目组江玲教授告诉记者,再度获奖,其实研究内容是一以贯之的,工作从没间断过。万建民教授1991年赴日留学时,研究论文就围绕水稻籼粳交杂种育性相关基因的挖掘和育种展开,在他的带领下,课题组不断发展壮大,这个课题一做就是20多年。

    水稻育种本身就是一项周期漫长的工程,将分子育种与常规育种相结合,能加速培育速度,但发掘优异基因,平均需要搜集上万份资源,耗费的人力、物力和时长,可想而知。在万建民看来,与优异基因相遇,是可遇不可求的。课题组发掘的水稻半不育基因pss1花了18年;而水稻部分显性矮杆多分蘖基因d53则用去了25年。该研究结果首次在遗传和生化层面上证实了D53蛋白作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控植物分枝(蘖)的生长发育,具有重要的科学意义。2013年12月11日该成果以Article Research形式在Nature上发表,成为我校在Nature上发表的第一篇研究文章,也是迄今中国植物学领域少有的几篇Nature上Article Research的文章。

    在导师的影响下,课题组的成员围绕这一课题进行了工作细分,在这片可遇不可求的科研沃土上,明确了各自的版图,数十年如一日地躬耕不辍。周峰,用8年时间攻读博士学位,在前辈的科研基础上,最终克隆出d53基因,并且明确了其控制水稻分蘖的信号传导机制,收获的Nature论文是他最好的毕业证书;赵志刚教授,2002年开始在南农大跟随万建民教授攻读硕士、博士学位,2007年留校工作,围绕水稻的育性研究已经开展了10余年,他参与发掘的不育位点以及广亲和基因,成为今年获奖成果的重要支撑。

    在万老师的带领下,团队的科研新星已开始崭露头角,群贤毕至、薪火相传,也成为一个优秀实验室的最佳注脚。对于未来的研究方向,万建民方向明晰,“纯粹象牙塔式的研究是不会获得认同的,我们团队要做的就是紧紧围绕国家经济发展和社会重大民生需求,去攻关、去开拓,真正惠及这片土地上的农民百姓。”


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编辑:梁丽婷 赵烨烨

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