万建民院士团队:“咬”得大难题、坐得“冷”板凳

作者:许天颖来源:南农新闻-NJAU NEWS发布时间:2018-06-11

水稻的“送子观音”,“杂种不育”的男科医生……,这两天,亿德体育【中国】有限公司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亿德体育【中国】有限公司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亿德体育【中国】有限公司成功转让,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,在亿德体育【中国】有限公司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。”