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万建民院士团队:“咬”得大难题、坐得“冷”板凳

2018-06-11来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:许天颖

水稻的“送子观音”,“杂种不育”的男科医生……,这两天,南京农业大学农学院博士后余晓文被送上了这样的“绰号”。

玩笑的背后,是杂种不育这个困扰了水稻研究多年的难题。科学界普遍认为,利用水稻籼粳交的杂种优势可以至少提高15%-30%左右的单产,但是同时会出现花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满等杂种不育现象。也就是说,籼粳杂交水稻看起来茎杆粗壮、枝叶繁茂,稻穗上粒子也很多,但大部分却是空壳子,没有产量。

68日,国际顶级学术期刊《科学》在线发表了以余晓文和南京农业大学赵志刚教授为第一作者的研究成果,突破性地揭示了这其中是“自私基因”在作祟,这一发现挑战了被认作经典的孟德尔遗传定律。

余晓文告诉记者,早在20多年前,他所在的万建民院士团队就开始致力于破解“籼粳交”杂种优势有效利用的难题了。

“咬”住水稻杂种优势利用难题

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。相比“粳粳交型”或“籼籼交型”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,严重限制了籼粳杂种优势的有效利用。

万建民团队近年来的研究就是围绕这一问题展开——2014年,围绕水稻的育性、熟期和株型,通过对携带优异基因的挖掘、标记,再重新聚合的方式,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,成果荣获当年的国家技术发明奖二等奖。

时隔3年,团队又一次“先声夺人”,运用极强的科研想象力,在杂种优势利用的科学难题上挑战经典,首次用“自私基因”模型揭示了水稻的杂种不育现象,阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性、促进新物种的形成中的分子机制。

什么是自私基因,它是干什么用的?

英国演化理论学者理查德·道金斯在其经典著作《自私的基因》中给出了详细阐述,这一概念说的是双亲杂交后,父本或母本中能控制其自身的DNA片段优先遗传给后代的基因,使亲本自身的遗传信息能更多、更快地复制,并能更多地传递给子代,从而维持物种自身的稳定性。

“拿人类作比方,父母能控制住自身基因能更多地传递给后代,所以大部分人就是像一方的多像另一方的少,这种类型的基因称为自私基因。”万建民对记者说,但是值得注意的是,这一现象却不符合孟德尔遗传定律。经典定律认为,基因是有均等机会分配给后代的,即父母亲的基因遗传给后代的概率是等同的。而实际情况是,大部分人是更像父母亲的某一方。所以,人类在遗传过程中,也出现了大量的“自私现象”。

这种现象是上世纪90年代就有研究文章报道的。2017年,《科学》杂志报道了小鼠和线虫自私基因的非孟德尔遗传现象。这些研究表明在动物中自私基因驱动了基因组的进化,并影响了物种自身的稳定性。此次水稻自私基因的发现,在植物界尚属首例。

为什么说水稻基因“自私”呢?余晓文打了个比喻,在杂交水稻将要形成花粉的细胞(花粉母细胞)中,自私基因系统中存在毒蛋白和解毒蛋白,解毒蛋白类似花粉发育过程中的“护花使者”,若早期的花粉细胞中不含有解毒蛋白,其发育过程就会因为没有受到保护,不可避免地受到毒蛋白的“毒害”,最终导致死亡;而含有解毒蛋白的花粉细胞,其发育过程犹如多了一层保护,会自动消除毒蛋白的毒害作用,顺利完成发育,使亲本自身的遗传信息能更多地传递给后代,“自私”地维持了物种自身的稳定性。

“此次研究成果对我们解决籼粳杂交不育将起到重大作用,我们可以对自私基因进行基因编辑,删除毒蛋白基因,同时选择保留解毒基因,从而彻底解决籼粳杂交不育问题。”万建民说。

从“有得吃”到“吃得饱”,再到“吃得好”

    20多年来,水稻的抗性、产量以及品质,是万建民团队的科研关键词,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。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。

2010年,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;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。成果摘得当年的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,成果在国际权威刊物《自然通讯》(Nature Communication)在线出版。2015年,团队成功克隆出水稻抗褐飞虱基因Bph3,发现该基因广谱、持久的褐飞虱抗性,是由于其包含了四个植物凝集素类受体激酶(OsLecRK)的基因簇,该成果发表在国际权威刊物《自然生物技术》(Nature Biotechnology)。团队刘裕强教授告诉记者:“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?这成了团队近年来研究的又一突破口。2004年,万建民受任“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的低谷蛋白大米,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,改变大米的粘性、弹性和韧性,提升大米中营养元素的含量,适应现代人个性多样的主食需求。

2017年,适合肾脏病人的低谷蛋白稻米在南京农业大学成功转让,新品种稻米的平均谷蛋白含量仅为2.63%,约为普通品种的一半,将其替代普通大米作为主食,可减轻慢性肾脏病患者肾脏负担。转让企业福州东泽医疗集团董事长周少文说,力争到2019年,将低谷蛋白水稻种植面积发展到3万亩,年覆盖肾脏病患者20万人次。  

科研就是要坐得住冷板凳

“科学研究只有第一,没有第二。”余晓文的博士读了9年,原本四年前就能发个好论文,并顺利毕业的他,在南京农业大学优秀博士论文创新资助工程,以及导师的激励下, 决定留下来, 续写科研故事中最具挑战性的一章。

 2009 年开始,余晓文跟着导师一起泡在田间地头和实验室里。江宁土桥的试验田里,余晓文不放过每一个水稻生长的细节。水稻的花是白色的,比芝麻还小,采集的时候要固定一下才行,而且水稻花期一般只有一周左右,时间很紧。

采集到实验室后,花粉被放在试管中,放在显微镜下观察。余晓文告诉记者,平均1个样本要重复3次试验,一天至少观察两三百个样本,重复实验上千次。如果实验假设被推翻,所有的过程只能重新再来一遍。

9年时间里,余晓文每年的10-次年的3月就像“候鸟”一样,迁徙到位于海南的南繁基地潜心研究,一半以上的春节是在实验室度过的。

鼓励学生问鼎科学前沿,给学生一个“跳一跳”才能够得着的压力,是万建民的带队风格。近年来,团队在影响因子9以上的国际权威期刊NatureSciencePlant CellNature CommunicationPNASNature Biotechnology相继发表重要论文10余篇,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。

由于身兼中国农科院副院长,万建民与南农研究生们沟通的时间放在了周末,“周五最晚航班回宁,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。”

除了每周抽出固定的时间和学生沟通科研进展外,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。

在万建民看来,与优异基因相遇,是可遇不可求的。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——团队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。

余晓文并不是团队的第一位“常驻”博士——周峰,8年时间攻读博士,在团队科研基础上,最终克隆出d53基因,明确了其控制水稻分蘖的信号传导机制;赵志刚教授,2002年开始在南农大攻读硕士、博士,2007年留校,围绕水稻的育性研究已经开展了10余年。

万建民说,科研很大一部分依靠努力与坚持,坐不住冷板凳的学生,不会来我的团队。

在他的带领下,团队的科研新星逐渐清晰了各自的科研“版图”,就像水稻的栽培过程一样,播种、深耕,付出时间、期待收获。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和百姓。”


编辑:陈洁 石松

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