北京，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)的國(guó)家玉米改良中心整飭一新，幾代學(xué)者矢志玉米研究，力圖通過(guò)玉米種業(yè)改良以臻糧食安全。
千里之外的武漢，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)牽頭建設(shè)的湖北洪山實(shí)驗(yàn)室正以生物種業(yè)科技創(chuàng)新為核心，致力于提供對(duì)人類(lèi)和地球都健康的食品。
近日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李建生、楊小紅團(tuán)隊(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合科研成果，一個(gè)在玉米和水稻中都具有的關(guān)鍵基因被發(fā)現(xiàn)。這是一項(xiàng)關(guān)于玉米和水稻“趨同選擇”研究的重大成果，為作物馴化的機(jī)理解析和未來(lái)作物育種奠定了理論基礎(chǔ)。
發(fā)掘“寶藏”：殊途同歸 提量增產(chǎn)
經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，玉米、水稻和小麥成為三大主要農(nóng)作物，為全球人類(lèi)提供了50%以上的能量攝入。這些作物在長(zhǎng)期的改良與選擇過(guò)程中，是否遵循了共同的遺傳規(guī)律？這一疑問(wèn)引領(lǐng)著兩地兩校的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，從基因和基因組兩個(gè)層面進(jìn)行系統(tǒng)研究。
科研人員從野生玉米資源里新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基因，將其命名為KRN2。通過(guò)對(duì)這一基因的編輯，可以調(diào)控玉米穗行數(shù)，從而將玉米的產(chǎn)量提高10%。同時(shí)，這一基因在水稻的基因組里也同樣存在，通過(guò)基因編輯，它能使水稻的產(chǎn)量增加8%，并且對(duì)其他農(nóng)藝性狀沒(méi)有明顯的負(fù)面影響，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。
“這個(gè)基因以前從來(lái)沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)過(guò)，而且它在玉米和水稻中都有。”華中農(nóng)大作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室教授嚴(yán)建兵介紹，“基因編輯就好比用一把小剪刀把這個(gè)基因‘剪’一下，以提高產(chǎn)量。”
為全面挖掘更多玉米和水稻中的趨同選擇基因，團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步在全基因組水平上對(duì)玉米和水稻進(jìn)行大數(shù)據(jù)選擇分析，檢測(cè)到490對(duì)經(jīng)歷了趨同選擇的同源基因?qū)Α?yán)建兵說(shuō)，此次發(fā)現(xiàn)的KRN2，只是其中一個(gè)影響產(chǎn)量的基因，其他受趨同選擇的基因中，還蘊(yùn)藏著很多可用于玉米和水稻遺傳改良的“寶藏”，這在宏觀上或者在整個(gè)基因組水平上，對(duì)作物遺傳改良指明了新方向。
科研攻關(guān)：定時(shí)“遷移” 協(xié)同科研
2004年的夏天，李建生教授帶領(lǐng)當(dāng)時(shí)尚為講師的嚴(yán)建兵、博士生楊小紅以及眾多學(xué)生在國(guó)家玉米改良中心門(mén)口留下了一張合影，師生笑靨如春。
同年，海南玉米繁育基地的玉米長(zhǎng)勢(shì)正好。李建生親自動(dòng)手組配玉米自交系Mo17與玉米野生種大芻草的雜交種。他總是一大早就到地頭觀測(cè)他心愛(ài)的玉米，一干就是一整天，三亞的日頭將他的皮膚曬得黝黑。
每天早上8點(diǎn)開(kāi)始，李建生就會(huì)把手機(jī)關(guān)機(jī)，一直在田間地頭忙活，做育種工作，再采樣回去做數(shù)據(jù)分析。“做這個(gè)工作就是要耐得住寂寞，不能有外界干擾，那樣干活效率太低，我只要在地頭誰(shuí)也聯(lián)系不到我。”李建生說(shuō)。
李建生幾乎每年都會(huì)到海南兩次，有時(shí)一待就是半年，南繁基地已成為他另一個(gè)家。他穿梭于兩地，帶領(lǐng)一位位研究生不斷摸索尋找最合適的組配親本，歷經(jīng)數(shù)年最終創(chuàng)制了穩(wěn)定的分離群體，定位了幾個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)，為團(tuán)隊(duì)后續(xù)開(kāi)展玉米重要產(chǎn)量性狀形成的遺傳基礎(chǔ)和馴化機(jī)理奠定了材料基礎(chǔ)。
每到南繁基地種管收重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，和李建生一樣，他的學(xué)生們都成了“候鳥(niǎo)”，定時(shí)“遷移”。
隨著研究的深入，2021年聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用組學(xué)大數(shù)據(jù)，在全基因組水平描繪了玉米和水稻趨同選擇的整體圖景，逐漸揭示了物種選擇殊途同歸的“奧妙”，并把發(fā)現(xiàn)推向國(guó)際學(xué)界舞臺(tái)。
據(jù)了解，他們的合作成果遠(yuǎn)不止發(fā)表在《科學(xué)》上的這一篇。近年來(lái)，兩地兩團(tuán)隊(duì)圍繞玉米復(fù)雜性狀的遺傳解析這一重大主題發(fā)表了近百篇合作研究成果，2016年李建生、楊小紅、嚴(yán)建兵師生三人共同獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
堅(jiān)守初心：把科研成果應(yīng)用到大地上
“每天天不亮開(kāi)始取樣，平均每天400株左右，8個(gè)小時(shí)處理完……”團(tuán)隊(duì)成員張璇回憶起那段歲月很感慨，為保證樣品的完整性和準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)成員更是全體出動(dòng)，協(xié)力完成采樣和電鏡拍攝任務(wù)。在張璇看來(lái)，團(tuán)隊(duì)從主要擅長(zhǎng)的玉米基因組學(xué)到學(xué)習(xí)全新的基因功能解析和雌穗發(fā)育，他們經(jīng)歷了一次次“蛻變”。
“科研就是一顆酸檸檬。”文章共同第一作者、剛從嚴(yán)建兵課題組畢業(yè)去中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所從事博士后研究的陳露回憶道，“群體分析往往會(huì)被不斷修正和顛覆，有時(shí)幾個(gè)月的心血會(huì)被瞬間推翻。我們要學(xué)會(huì)把酸檸檬做成一杯好喝的檸檬水，推翻了，其實(shí)也就離成功不遠(yuǎn)了……”
“從充滿不確定性的未知，到探尋已知的過(guò)程滿是樂(lè)趣。”嚴(yán)建兵認(rèn)為，科研也是最好的生活方式，他的人生目標(biāo)絕不是為了發(fā)幾篇文章，“我希望能把學(xué)習(xí)的知識(shí)應(yīng)用到大地上。”
下一步，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)將依托湖北洪山實(shí)驗(yàn)室，組建玉米基因組、育種基因設(shè)計(jì)、分組育種等創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，打通從基礎(chǔ)研究到標(biāo)記基因的開(kāi)發(fā)，以及品種選育、產(chǎn)業(yè)推廣運(yùn)用全產(chǎn)業(yè)鏈。
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