“水稻”博士的9年“马拉松”

2018-09-09来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:许天颖 张伊杰

    北京时间6月8日,国际顶级学术期刊《科学》发表突破性成果,在植物体内首次报导“自私基因”,厘清了困扰水稻研究多年的杂种不育难题。

    论文的第一作者南京农业大学农学院博士余晓文,这距离他“咬”定这一难题已过去了整整9年。9年,仿佛一场科研马拉松,秉持着“做科研只有第一,没有第二”的信念,余晓文的每一天都在“赶跑”。

    9年前的6月,当很多同学准备安享读研前的假期,余晓文已经一裤管“插”进了水稻田,帮着师兄、南京农业大学赵志刚教授一起到田里插秧,为的是更早地获取实验样本。

    “那年收割的时候,水稻枝梗粗壮,原本以为是大丰收,但到田间一看,很多稻穗是空的。”

    稻穗“空果”,其实就是“杂种不育”现象,而这正是余晓文的导师,南京农业大学万建民院士团队攻克了20多年的水稻杂种优势利用难题。

    万建民告诉记者,水稻籼粳杂交可比其他杂交稻进一步提高单产15%至30%,然而,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。万建民说,结实率80%是前提,如果达不到这个标准,就没法实现增产。

    一定是有哪些基因控制了杂交稻不结实!看着田里满眼的“秕谷”,余晓文渴望找出不结实的原因。

    但这块“硬骨头”比想象中还要难啃——2009年,余晓文通过搜索文献发现,世界范围内,已经报道的水稻杂种不育相关位点有50多个,但当时被克隆到基因的只有2个。这些杂种不育位点大部分只被报道了大致的遗传位置,谁都可以做,就看谁能先做出来了。

“蒸笼”地里“绣花”忙

    科研“无人区”的探索注定是考验心智和毅力的。初期的表型考察和遗传群体分析就占用了余晓文整整两年的时间。田间取样没有捷径可走,想要找到目的基因所在的区间,需要在很大的遗传群体中去筛查重组单株。一方面取叶片进行基因型分析,另一方面还要采集相应植株的稻花观察花粉是否可育。

    很多人不知道水稻也会开花,余晓文掏出照片,原来,水稻的颖花是淡黄色的,长在枝梗上,外观像小簇的狗尾巴草,个头比芝麻还小,采集的时候必须先固定一下,然后回实验室借助显微镜观察,否则真看不出来。

    余晓文说,水稻花期一般一周左右,他的研究对象是雄性颖花,所以必须在这一周之内完成样品的采集,否则要再等半年。

    水稻的开花期在七八月份,正值火炉南京的“烧烤期”,稻田的湿热可想而知,可余晓文和实验室的师兄师妹们,不仅要卷起裤腿、“扎”进稻田,同时必须要一株一株地精挑细选,多的时候,一天要采两三千份植株,这无异于“蒸笼”地里干“绣花”的活儿。

    样取回来,逐个编好号,再通过显微镜观察是否可育。如果说白天的余晓文是“蒸笼”地里忙“绣花”,晚上的他则是显微镜下“穿针线”。

    “一天要看300个样,一个样至少重复3次,每天的观察统计实验将近1000次。”余晓文坦言,强度大的时候,一天实验下来,头昏眼花。

    实验的目的在于证实或者证伪科研假设,证实的话,当然是功夫不负有心人,可万一证伪了呢?余晓文笑笑,“那就只能将一个夏天的实验过程推翻重来。”

这一“搏”搏对了

    经过了两年的前期实验,终于把目的基因锁定在了一个较小的范围内!可来不及激动,余晓文又陷入了新的惆怅——经过分析,目的基因数量不多,但都是未知功能的,一时找不到突破的线索,研究又回到了大海捞针的阶段。

    2013年,余晓文逐一把候选基因进行功能验证后,找到了让花粉恢复可育的基因ORF3,这样的成果足以发一篇高水平国际学术期刊,申请提前毕业了。

    可此时的他犹豫了,田里的“秕谷”在脑海中不停闪现,ORF3的发现真的足以揭示杂种不育的分子机制么?如果没有与其相互制约的毒性基因,ORF3这一解毒基因又怎么能发挥作用呢? 2014年,南京农业大学通过优秀博士学位论文创新工程资助等平台,鼓励优秀博士生科研“不断档”、继续深入探索,余晓文决定搏一搏。

    新探索,必定伴随新困境。选择什么实验材料来验证假设呢?这种材料既要不含有ORF3基因这一“护盾”进行保护,又要能够正常进行繁育。

    当时基因编辑技术应用尚不成熟,余晓文只能用传统的方法,在很大的群体中进行复杂而又严密的遗传分析,在中国农业科学院作物科学研究所王海洋、吴传银等研究员的帮助下,这种基因型的水稻竟然被他找到了——既不携带ORF3基因这一“护身符”,而且花粉还可育的纯合近等基因系。

    拥有了合适的试验材料,实验过程便有了“抓手”。余晓文发现,是ORF2这一“狠毒”的基因导致花粉败育,更有意思的是,ORF2和ORF3这两个功能相反基因竟然紧密相连,并且来自同一个亲本材料,它们共同作用,使得杂交后代携带这两个基因的个体数显著偏多。

    参考动物相关研究,这是一种典型的“自私基因”遗传模型——经典的孟德遗传定律认为,来自双亲的基因应当相等概率地分配给下一代,然而“自私基因”则会打破这种均衡,导致“孩子更像某一方”,而不是“一半像爸爸,一半像妈妈”!

    余晓文的发现,第一次突破性地运用“自私基因”模型解释了水稻杂种不育现象!

    别有洞天的是,余晓文和团队通过对几百份不同地域分布的不同稻种进行基因组测序发现,没有功能的ORF1基因和“护盾”ORF3基因,两者的序列高度相似,“大反派”毒蛋白ORF2原本只是个“跑龙套”的,而能够将其“绳之以法”的解毒蛋白ORF3其实是由一个看似微不足道的ORF1基因进化而来。至此,水稻自私基因演化的“古战场”也被他们“顺藤摸瓜”给探寻了出来!

科研没有“休止符”

    在导师们的眼中,余晓文是个特别能吃苦、特别肯动脑筋的学生。

    论文的共同通讯作者、中国农业科学院作物科学研究所王海洋研究员说,不管是寒冬腊月,还是严寒酷暑,只要有问题,一个电话打给晓文,他都是二话不说,一头“扎”回实验室。

    有一年冬天,王海洋来实验室指导完,余晓文披了件单衣,无论如何都要把导师送回家,当时北京的温度是零下二十多度。

    9年时间里,每年的10月到次年的3月,余晓文就像“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。就如万建民院士所说的,农业科研,必须要有努力和坚持,必须坐得住冷板凳。

    事实上,作物育种本身就是一项周期漫长的工程,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。

    6月10日,论文发出的第二天,本应是最该分享喜悦的时刻,余晓文却又早早地,回到了试验田,开始新一季的水稻插秧。

    9年前,也是在这块地里,他下决心要“啃”下硬骨头,向难题“宣战”。如今的余晓文,试图将这场“马拉松”继续跑下去,一是验证这一成果到底能为百姓的饭碗增加多少口粮;同时,探寻毒蛋白与解毒蛋白这对“欢喜冤家”之间,究竟还隐藏了多少不为人知的秘密。


编辑:实习编辑

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