水稻的“送子觀音”，“雜種不育”的男科醫(yī)生……，這兩天，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士后余曉文被送上了這樣的“綽號”。
玩笑的背后，是雜種不育這個困擾了水稻研究多年的難題?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，利用水稻秈粳交的雜種優(yōu)勢可以至少提高15%-30%左右的單產(chǎn)，但是同時會出現(xiàn)花粉不育、小穗結(jié)實(shí)率低、子粒不飽滿等雜種不育現(xiàn)象。也就是說，秈粳雜交水稻看起來莖桿粗壯、枝葉繁茂，稻穗上粒子也很多，但大部分卻是空殼子，沒有產(chǎn)量。
6月8日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了以余曉文和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙志剛教授為第一作者的研究成果，突破性地揭示了這其中是“自私基因”在作祟，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了被認(rèn)作經(jīng)典的孟德爾遺傳定律。
余曉文告訴記者，早在20多年前，他所在的萬建民院士團(tuán)隊就開始致力于破解“秈粳交”雜種優(yōu)勢有效利用的難題了。
“咬”住水稻雜種優(yōu)勢利用難題
由于氣候條件的差異，我國的水稻產(chǎn)區(qū)呈現(xiàn)“北粳南秈”的分布態(tài)勢，即北方稻區(qū)以種植粳米為主，南方稻區(qū)則多種植秈米。相比“粳粳交型”或“秈秈交型”亞種內(nèi)雜種，水稻秈粳亞種間雜種具有強(qiáng)大的雜種優(yōu)勢，一畝地增產(chǎn)達(dá)15%-30%。但秈粳雜種存在育性差、結(jié)實(shí)率低、植株偏高、易倒伏等問題，嚴(yán)重限制了秈粳雜種優(yōu)勢的有效利用。
萬建民團(tuán)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(yōu)異基因的挖掘、標(biāo)記，再重新聚合的方式，發(fā)掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因，開發(fā)相應(yīng)分子標(biāo)記和育種技術(shù)，成功培育秈粳交高產(chǎn)水稻新品種，成果榮獲當(dāng)年的國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
時隔3年，團(tuán)隊又一次“先聲奪人”，運(yùn)用極強(qiáng)的科研想象力，在雜種優(yōu)勢利用的科學(xué)難題上挑戰(zhàn)經(jīng)典，首次用“自私基因”模型揭示了水稻的雜種不育現(xiàn)象，闡明了自私基因在維持植物基因組的穩(wěn)定性、促進(jìn)新物種的形成中的分子機(jī)制。
什么是自私基因，它是干什么用的？
英國演化理論學(xué)者理查德·道金斯在其經(jīng)典著作《自私的基因》中給出了詳細(xì)闡述，這一概念說的是雙親雜交后，父本或母本中能控制其自身的DNA片段優(yōu)先遺傳給后代的基因，使親本自身的遺傳信息能更多、更快地復(fù)制，并能更多地傳遞給子代，從而維持物種自身的穩(wěn)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后代，所以大部分人就是像一方的多像另一方的少，這種類型的基因稱為自私基因?！比f建民對記者說，但是值得注意的是，這一現(xiàn)象卻不符合孟德爾遺傳定律。經(jīng)典定律認(rèn)為，基因是有均等機(jī)會分配給后代的，即父母親的基因遺傳給后代的概率是等同的。而實(shí)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(xiàn)了大量的“自私現(xiàn)象”。
這種現(xiàn)象是上世紀(jì)90年代就有研究文章報道的。2017年，《科學(xué)》雜志報道了小鼠和線蟲自私基因的非孟德爾遺傳現(xiàn)象。這些研究表明在動物中自私基因驅(qū)動了基因組的進(jìn)化，并影響了物種自身的穩(wěn)定性。此次水稻自私基因的發(fā)現(xiàn)，在植物界尚屬首例。
為什么說水稻基因“自私”呢？余曉文打了個比喻，在雜交水稻將要形成花粉的細(xì)胞（花粉母細(xì)胞）中，自私基因系統(tǒng)中存在毒蛋白和解毒蛋白，解毒蛋白類似花粉發(fā)育過程中的“護(hù)花使者”，若早期的花粉細(xì)胞中不含有解毒蛋白，其發(fā)育過程就會因?yàn)闆]有受到保護(hù)，不可避免地受到毒蛋白的“毒害”，最終導(dǎo)致死亡；而含有解毒蛋白的花粉細(xì)胞，其發(fā)育過程猶如多了一層保護(hù)，會自動消除毒蛋白的毒害作用，順利完成發(fā)育，使親本自身的遺傳信息能更多地傳遞給后代，“自私”地維持了物種自身的穩(wěn)定性。
“此次研究成果對我們解決秈粳雜交不育將起到重大作用，我們可以對自私基因進(jìn)行基因編輯，刪除毒蛋白基因，同時選擇保留解毒基因，從而徹底解決秈粳雜交不育問題?！比f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、產(chǎn)量以及品質(zhì)，是萬建民團(tuán)隊的科研關(guān)鍵詞，也對應(yīng)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”，溫飽之后，是如何“吃得好”。
位于長江中下游的江蘇，是富足的魚米之鄉(xiāng)，“有得吃”似乎不應(yīng)該成為問題，但由于缺乏廣譜抗性品種以及氣候等多種因素，導(dǎo)致病蟲害發(fā)生頻繁。2004年，由水稻害蟲灰飛虱介導(dǎo)的條紋葉枯病在江蘇大面積爆發(fā)，發(fā)病面積達(dá)2300多萬畝，絕收面積7.8萬畝，對水稻生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。
2010年，萬建民教授團(tuán)隊與江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等水稻育種單位協(xié)作攻關(guān)，建立了規(guī)?；緱l紋葉枯病抗性鑒定技術(shù)體系；選育系列抗條紋葉枯病高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種，實(shí)現(xiàn)了南方粳稻區(qū)的快速應(yīng)用，有效解決了我國南方粳稻區(qū)受條紋葉枯病危害的難題。成果摘得當(dāng)年的國家科技進(jìn)步一等獎。
圍繞水稻抗性基因研究，團(tuán)隊的科研攻關(guān)腳步并未停歇。2014年，團(tuán)隊成功克隆出第一個水稻抗條紋葉枯病基因STV11，并闡述了該基因的功能，成果在國際權(quán)威刊物《自然通訊》(Nature Communication）在線出版。2015年，團(tuán)隊成功克隆出水稻抗褐飛虱基因Bph3，發(fā)現(xiàn)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(fā)表在國際權(quán)威刊物《自然生物技術(shù)》(Nature Biotechnology）。團(tuán)隊劉裕強(qiáng)教授告訴記者：“過去依靠分子標(biāo)記的選育抗病蟲品種，相當(dāng)于只知道抗病蟲基因在哪座城市，而現(xiàn)在知道了抗病蟲基因門牌號碼，將可以實(shí)現(xiàn)抗病蟲品種的精確選擇，育種效率更高、更可靠、進(jìn)度更快?！?/p>
有米吃了，什么米才叫好吃？什么人群適合食用什么稻米？這成了團(tuán)隊近年來研究的又一突破口。2004年，萬建民受任“全球營養(yǎng)強(qiáng)化項(xiàng)目”負(fù)責(zé)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。如針對腎臟病人開發(fā)的低谷蛋白大米，針對糖尿病人研制的不容易轉(zhuǎn)化為糖的“高抗性淀粉”大米，此外，還在提升大米的口感和營養(yǎng)品質(zhì)上下功夫，改變大米的粘性、彈性和韌性，提升大米中營養(yǎng)元素的含量，適應(yīng)現(xiàn)代人個性多樣的主食需求。
2017年，適合腎臟病人的低谷蛋白稻米在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)成功轉(zhuǎn)讓，新品種稻米的平均谷蛋白含量僅為2.63%，約為普通品種的一半，將其替代普通大米作為主食，可減輕慢性腎臟病患者腎臟負(fù)擔(dān)。轉(zhuǎn)讓企業(yè)福州東澤醫(yī)療集團(tuán)董事長周少文說，力爭到2019年，將低谷蛋白水稻種植面積發(fā)展到3萬畝，年覆蓋腎臟病患者20萬人次。
科研就是要坐得住冷板凳
“科學(xué)研究只有第一，沒有第二?！庇鄷晕牡牟┦孔x了9年，原本四年前就能發(fā)個好論文，并順利畢業(yè)的他，在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士論文創(chuàng)新資助工程，以及導(dǎo)師的激勵下， 決定留下來， 續(xù)寫科研故事中最具挑戰(zhàn)性的一章。
從 2009 年開始，余曉文跟著導(dǎo)師一起泡在田間地頭和實(shí)驗(yàn)室里。江寧土橋的試驗(yàn)田里，余曉文不放過每一個水稻生長的細(xì)節(jié)。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(shí)驗(yàn)室后，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個樣本要重復(fù)3次試驗(yàn)，一天至少觀察兩三百個樣本，重復(fù)實(shí)驗(yàn)上千次。如果實(shí)驗(yàn)假設(shè)被推翻，所有的過程只能重新再來一遍。
9年時間里，余曉文每年的10月-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(jié)是在實(shí)驗(yàn)室度過的。
鼓勵學(xué)生問鼎科學(xué)前沿，給學(xué)生一個“跳一跳”才能夠得著的壓力，是萬建民的帶隊風(fēng)格。近年來，團(tuán)隊在影響因子9以上的國際權(quán)威期刊Nature、Science、Plant Cell、Nature Communication、PNAS、Nature Biotechnology相繼發(fā)表重要論文10余篇，文章的第一作者大多是項(xiàng)目組的年輕教授、副教授以及博士研究生。
由于身兼中國農(nóng)科院副院長，萬建民與南農(nóng)研究生們溝通的時間放在了周末，“周五最晚航班回寧，周日最晚航班回京，這樣的節(jié)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(xué)生溝通科研進(jìn)展外，對科研進(jìn)展的定期匯報必不可少，博士生平均一個月一次研究匯報，一年平均兩次實(shí)驗(yàn)室全體成員的集中匯報，這個“規(guī)矩”雷打不動。
在萬建民看來，與優(yōu)異基因相遇，是可遇不可求的。水稻育種本身就是一項(xiàng)周期漫長的工程，將分子育種與常規(guī)育種相結(jié)合，能加速培育速度，但發(fā)掘優(yōu)異基因，平均需要搜集上萬份資源，耗費(fèi)的人力、物力和時長，可想而知——團(tuán)隊發(fā)掘的水稻半不育基因PSS1花了18年；而水稻部分顯性矮桿多分蘗基因D53則用去了25年。
余曉文并不是團(tuán)隊的第一位“常駐”博士——周峰，8年時間攻讀博士，在團(tuán)隊科研基礎(chǔ)上，最終克隆出d53基因，明確了其控制水稻分蘗的信號傳導(dǎo)機(jī)制；趙志剛教授，2002年開始在南農(nóng)大攻讀碩士、博士，2007年留校，圍繞水稻的育性研究已經(jīng)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(xué)生，不會來我的團(tuán)隊。
在他的帶領(lǐng)下，團(tuán)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(rèn)同的，我們團(tuán)隊要做的就是緊緊圍繞國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會重大民生需求，去攻關(guān)、去開拓，真正惠及這片土地上的農(nóng)民和百姓。”