萬建民院士團隊:“咬”得大難題、坐得“冷”板凳

2018-06-11来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:許天穎設置

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

玩笑的背後,是雜種不育這個困擾了水稻研究多年的難題。科學界普遍認爲,利用水稻籼粳交的雜種優勢可以至少提高15%-30%左右的單産,但是同時會出現花粉不育、小穗結實率低、子粒不飽滿等雜種不育現象。也就是說,籼粳雜交水稻看起來莖杆粗壯、枝葉繁茂,稻穗上粒子也很多,但大部分卻是空殼子,沒有産量。

68日,国际顶级學術期刊《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。

余曉文告訴記者,早在20多年前,他所在的萬建民院士團隊就開始致力于破解“籼粳交”雜種優勢有效利用的難題了。

“咬”住水稻雜種優勢利用難題

由于氣候條件的差異,我國的水稻産區呈現“北粳南籼”的分布態勢,即北方稻區以種植粳米爲主,南方稻區則多種植籼米。相比“粳粳交型”或“籼籼交型”亞種內雜種,水稻籼粳亞種間雜種具有強大的雜種優勢,一畝地增産達15%-30%。但籼粳雜種存在育性差、結實率低、植株偏高、易倒伏等問題,嚴重限制了籼粳雜種優勢的有效利用。

萬建民團隊近年來的研究就是圍繞這一問題展開——2014年,圍繞水稻的育性、熟期和株型,通過對攜帶優異基因的挖掘、標記,再重新聚合的方式,發掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因,開發相應分子標記和育種技術,成功培育籼粳交高産水稻新品種,成果榮獲當年的國家技術發明獎二等獎。

時隔3年,團隊又一次“先聲奪人”,運用極強的科研想象力,在雜種優勢利用的科學難題上挑戰經典,首次用“自私基因”模型揭示了水稻的雜種不育現象,闡明了自私基因在維持植物基因組的穩定性、促進新物種的形成中的分子機制。

什麽是自私基因,它是幹什麽用的?

英國演化理論學者理查德·道金斯在其經典著作《自私的基因》中給出了詳細闡述,這一概念說的是雙親雜交後,父本或母本中能控制其自身的DNA片段優先遺傳給後代的基因,使親本自身的遺傳信息能更多、更快地複制,並能更多地傳遞給子代,從而維持物種自身的穩定性。

“拿人類作比方,父母能控制住自身基因能更多地傳遞給後代,所以大部分人就是像一方的多像另一方的少,這種類型的基因稱爲自私基因。”萬建民對記者說,但是值得注意的是,這一現象卻不符合孟德爾遺傳定律。經典定律認爲,基因是有均等機會分配給後代的,即父母親的基因遺傳給後代的概率是等同的。而實際情況是,大部分人是更像父母親的某一方。所以,人類在遺傳過程中,也出現了大量的“自私現象”。

這種現象是上世紀90年代就有研究文章報道的。2017年,《科學》雜志報道了小鼠和線蟲自私基因的非孟德爾遺傳現象。這些研究表明在動物中自私基因驅動了基因組的進化,並影響了物種自身的穩定性。此次水稻自私基因的發現,在植物界尚屬首例。

爲什麽說水稻基因“自私”呢?余曉文打了個比喻,在雜交水稻將要形成花粉的細胞(花粉母細胞)中,自私基因系統中存在毒蛋白和解毒蛋白,解毒蛋白類似花粉發育過程中的“護花使者”,若早期的花粉細胞中不含有解毒蛋白,其發育過程就會因爲沒有受到保護,不可避免地受到毒蛋白的“毒害”,最終導致死亡;而含有解毒蛋白的花粉細胞,其發育過程猶如多了一層保護,會自動消除毒蛋白的毒害作用,順利完成發育,使親本自身的遺傳信息能更多地傳遞給後代,“自私”地維持了物種自身的穩定性。

“此次研究成果對我們解決籼粳雜交不育將起到重大作用,我們可以對自私基因進行基因編輯,刪除毒蛋白基因,同時選擇保留解毒基因,從而徹底解決籼粳雜交不育問題。”萬建民說。

從“有得吃”到“吃得飽”,再到“吃得好”

    20多年來,水稻的抗性、産量以及品質,是萬建民團隊的科研關鍵詞,也對應著中國百姓不斷提高的食品需求:首先得“有得吃”,其次要“吃得飽”,溫飽之後,是如何“吃得好”。

位于長江中下遊的江蘇,是富足的魚米之鄉,“有得吃”似乎不應該成爲問題,但由于缺乏廣譜抗性品種以及氣候等多種因素,導致病蟲害發生頻繁。2004年,由水稻害蟲灰飛虱介導的條紋葉枯病在江蘇大面積爆發,發病面積達2300多萬畝,絕收面積7.8萬畝,對水稻生産造成嚴重損失。

2010年,萬建民教授團隊與江蘇省農業科學院等水稻育種單位協作攻關,建立了規模化水稻條紋葉枯病抗性鑒定技術體系;選育系列抗條紋葉枯病高産優質水稻新品種,實現了南方粳稻區的快速應用,有效解決了我國南方粳稻區受條紋葉枯病危害的難題。成果摘得當年的國家科技進步一等獎。

圍繞水稻抗性基因研究,團隊的科研攻關腳步並未停歇。2014年,團隊成功克隆出第一個水稻抗條紋葉枯病基因STV11,並闡述了該基因的功能,成果在國際權威刊物《自然通訊》(Nature Communication)在線出版。2015年,團隊成功克隆出水稻抗褐飛虱基因Bph3,發現該基因廣譜、持久的褐飛虱抗性,是由于其包含了四個植物凝集素類受體激酶(OsLecRK)的基因簇,該成果發表在國際權威刊物《自然生物技術》(Nature Biotechnology)。團隊劉裕強教授告訴記者:“過去依靠分子標記的選育抗病蟲品種,相當于只知道抗病蟲基因在哪座城市,而現在知道了抗病蟲基因門牌號碼,將可以實現抗病蟲品種的精確選擇,育種效率更高、更可靠、進度更快。”

有米吃了,什麽米才叫好吃?什麽人群適合食用什麽稻米?這成了團隊近年來研究的又一突破口。2004年,萬建民受任“全球營養強化項目”負責人,開始針對大米的多樣化需求,培育適合特殊人群食用的大米品種。如針對腎髒病人開發的低谷蛋白大米,針對糖尿病人研制的不容易轉化爲糖的“高抗性澱粉”大米,此外,還在提升大米的口感和營養品質上下功夫,改變大米的粘性、彈性和韌性,提升大米中營養元素的含量,適應現代人個性多樣的主食需求。

2017年,適合腎髒病人的低谷蛋白稻米在南京農業大學成功轉讓,新品種稻米的平均谷蛋白含量僅爲2.63%,約爲普通品種的一半,將其替代普通大米作爲主食,可減輕慢性腎髒病患者腎髒負擔。轉讓企業福州東澤醫療集團董事長周少文說,力爭到2019年,將低谷蛋白水稻種植面積發展到3萬畝,年覆蓋腎髒病患者20萬人次。  

科研就是要坐得住冷板凳

“科學研究只有第一,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 年開始,余曉文跟著導師一起泡在田間地頭和實驗室裏。江甯土橋的試驗田裏,余曉文不放過每一個水稻生長的細節。水稻的花是白色的,比芝麻還小,采集的時候要固定一下才行,而且水稻花期一般只有一周左右,時間很緊。

采集到實驗室後,花粉被放在試管中,放在顯微鏡下觀察。余曉文告訴記者,平均1個樣本要重複3次試驗,一天至少觀察兩三百個樣本,重複實驗上千次。如果實驗假設被推翻,所有的過程只能重新再來一遍。

9年時間裏,余曉文每年的10-次年的3月就像“候鳥”一樣,遷徙到位于海南的南繁基地潛心研究,一半以上的春節是在實驗室度過的。

鼓勵學生問鼎科學前沿,給學生一個“跳一跳”才能夠得著的壓力,是萬建民的帶隊風格。近年來,團隊在影響因子9以上的國際權威期刊NatureSciencePlant CellNature CommunicationPNASNature Biotechnology相繼發表重要論文10余篇,文章的第一作者大多是項目組的年輕教授、副教授以及博士研究生。

由于身兼中國農科院副院長,萬建民與南農研究生們溝通的時間放在了周末,“周五最晚航班回甯,周日最晚航班回京,這樣的節奏一周都沒有打破,我的日程表中,沒有‘周末’這一說。”

除了每周抽出固定的時間和學生溝通科研進展外,對科研進展的定期彙報必不可少,博士生平均一個月一次研究彙報,一年平均兩次實驗室全體成員的集中彙報,這個“規矩”雷打不動。

在萬建民看來,與優異基因相遇,是可遇不可求的。水稻育種本身就是一項周期漫長的工程,將分子育種與常規育種相結合,能加速培育速度,但發掘優異基因,平均需要搜集上萬份資源,耗費的人力、物力和時長,可想而知——團隊發掘的水稻半不育基因PSS1花了18年;而水稻部分顯性矮杆多分蘖基因D53則用去了25年。

余曉文並不是團隊的第一位“常駐”博士——周峰,8年時間攻讀博士,在團隊科研基礎上,最終克隆出d53基因,明確了其控制水稻分蘖的信號傳導機制;趙志剛教授,2002年開始在南農大攻讀碩士、博士,2007年留校,圍繞水稻的育性研究已經開展了10余年。

萬建民說,科研很大一部分依靠努力與堅持,坐不住冷板凳的學生,不會來我的團隊。

在他的帶領下,團隊的科研新星逐漸清晰了各自的科研“版圖”,就像水稻的栽培過程一樣,播種、深耕,付出時間、期待收獲。對于未來的研究方向,萬建民方向明晰,“純粹象牙塔式的研究是不會獲得認同的,我們團隊要做的就是緊緊圍繞國家經濟發展和社會重大民生需求,去攻關、去開拓,真正惠及這片土地上的農民和百姓。”