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农学博士发表突破性成果 厘清水稻杂种不育难题
2018-7-2 9:54:32  出处:cnread.net
 

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

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  论文的第一作者是南京农业大学农学院博士余晓文,这距离他“咬”定这一难题已过去整整9年。在这场科研马拉松里,秉持“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,本科刚毕业,余晓文就一裤管“插”进水稻田,帮师兄到田里插秧,收集实验样本。“那年收割的时候,水稻枝梗粗壮,原本应是大丰收,但很多稻谷是空的”。

  稻穗“空果”,其实就是“杂种不育”现象,这正是余晓文的导师、南京农业大学万建民院士团队研究了20多年的水稻杂种优势利用遇到的难题。

  万建民介绍,与籼籼杂交水稻相比,籼粳杂交水稻可进一步提高单产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。“结实率80%是前提,如果达不到这个标准,就没法实现增产”。

  “一定是哪些基因控制了杂交稻不结实!”余晓文渴望找出原因。

  这块“硬骨头”比想象中的还要难啃。2009年,余晓文发现世界上被报道的水稻杂种不育相关位点有50来个,但被克隆到的基因只有两个。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。

  “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让余晓文花了两年的时间。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。取叶片进行基因型分析,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——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,然后借助显微镜观察,否则真看不出来。

  水稻花期一般一周左右,由于研究对象是雄花,必须在一周内完成样品采集,否则至少要再等半年。

  水稻的开花期在七八月,正值南京火热的夏季,稻田湿热,余晓文和师兄妹们要“扎”进稻田一株一株精挑细选,多的时候,一天采两三千份样品,无异于“蒸笼”地里做“绣花”, 逐个编号收集,颖花样品取回来,通过显微镜观察是否可育。

  白天“蒸笼”地里忙“绣花”,晚上显微镜下“穿针线”。“一天要看300个样,每个至少重复3次,每天观察统计实验将近1000次。”余晓文坦言,强度大的时候,一天下来头昏眼花。

  实验的目的在于证实或者证伪科研假设。证实的话,当然功夫不负有心人,可证伪了呢?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

  2013年,余晓文找到了让花粉恢复可育的基因ORF3,这样的成果足以在国际学术期刊发表一篇高水平论文,申请提前毕业了。但田里的“秕谷”在余晓文的脑海中不停闪现,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,又是谁导致花粉不育呢?

  余晓文觉得可能又面临“山重水复疑无路”。未来会怎样?只能一搏!

  2014年,南京农业大学首次推行优秀博士学位论文创新工程资助,通过一定的经费补助鼓励优秀博士生科研“不断档”,继续深入探索,余晓文留了下来。

  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又严密的遗传分析。

  “看文献——提假设——与导师讨论——验证或推翻假设”,余晓文终于找到了让他“激动好几个晚上都睡不着觉”的“MM纯合近等基因系”。

  他将这一发现讲给导师万建民听。万建民立即拍板,“非常有意思!”并鼓励他借鉴跨学科的方法,继续深入下去。

  在中国农业科学院作物科学研究所王海洋、吴传银等专家的帮助下,余晓文为40多年前就被提出的水稻杂种不育遗传假说找到了强有力的证明。

  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”会打破均衡,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。

  “毕不了业,时常不着家”的年轻爸爸

  2016年是余晓文深感压力的一年。这一年孩子出生,妻子为支持他,辞去工作照顾孩子和家庭,他的研究还有一块硬骨头没啃完。

  为了方便来去实验室,夫妻俩在离中国农科院实验室不远的地方租住了一间很小的房子。北京三环内的房租很高,余晓文的补贴勉强凑够房租和家用。

  每年的10月到次年的3月,余晓文像“候鸟”一样,迁徙到位于海南的南繁基地潜心研究。孩子出生前,余晓文连续4年春节没回过老家陪父母。

  孩子快1岁时,他将老婆孩子接到南京,但只要导师一个消息,余晓文就一头“扎”回北京的实验室。

  “穿着短袖去的,套着羽绒服回来”,虽然夫妻俩早已适应这样的节奏,可这次,快一岁半的孩子却认不出爸爸了。余晓文很心酸。他暗自较劲儿,再努力一点、再加快一点!

  2017年11月,余晓文将积累8年的成果投给国际顶级权威期刊《科学》。不到一个月,《科学》期刊编辑寄来了一封回执——从摘要到图注全部详细修改,这让整个课题组都为之振奋。共同通讯作者、导师王海洋激动万分,“头一次见到!说明编辑对此文非常感兴趣!”

  2013年发现“MM纯合近等基因系”是余晓文最激动的时刻,但直到此时,他的科研故事才算相对完整地告一段落,这些年一直悬在心中的石头也落了下来。

  科研没有“休止符”

  余晓文并不是团队的第一位“长驻”博士。南京农业大学农学院院长朱艳教授说,“作物育种本身就是一项周期漫长的工作,要想出大成果,再怎么努力都需要这个时间。”

  南京农业大学农学院鼓励学生从本科实践创新项目开始,就明确知道自己在干什么,从本科毕业论文开始就能定好研究方向,到硕士和博士阶段就要自己来主导研究。

  “博士期间科研有弯路、没进展,这很正常。”朱艳说,一要打好基础,二是必须具备良好的抗压力和意志力。学校没办法覆盖到的好的研究,学院通过资助和奖励来补上。

  在南京农业大学农学院,频繁的汇报和交流是雷打不动的“规矩”。“余晓文的研究,就是在多次汇报碰撞以后,导师才觉得要有好成果了”。

  团队之间每周一次小交流、每月一次大交流。每年一两次的学院范围的大交流都要持续两三天,所有研究生都可以对某个成果提问或给出建议,“我们不赞成导师学生一对一的培养模式,我们强调大团队意识,高领域的成果必须是交叉协同的。” 朱艳说。

  博士生要勇攀前沿,必定有大量交叉学科,余晓文的研究就涉及遗传学、分子生物学、进化生物学、作物学等多个学科。不论理论积累或实验技术,都需要花时间去琢磨。

  “坐不住冷板凳的学生,不会来我的团队”。万建民院士说,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则花了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,余晓文却又一早回到试验田,开始新一季的水稻插秧。

  9年前,同样在这块地里,他下决心要“啃”下硬骨头向难题“宣战”。如今,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”,究竟还隐藏多少不为人知的秘密。

 
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