他們潛心30年攻克水稻“雜種不育”難題_風聞

他們潛心30年攻克水稻“雜種不育”難題科技日報2023年10月23日 07:29:17 來自北京0人蔘與0評論

圖為萬建民（左四）和團隊成員。 南京農業大學供圖

【創新團隊】

◎本報記者 金 鳳 通訊員 許天穎

今年是萬建民團隊的“大滿貫”之年。

前不久，由中國工程院院士萬建民領銜、南京農業大學和中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱農科院作科所）科研人員共同組成的團隊，首次從分子層面闡明瞭秈稻和粳稻“雜種不育”分子機理，破解了水稻生殖隔離之謎。相關成果發表於國際權威學術期刊《細胞》。

至此，繼2013年、2018年在《自然》《科學》雜誌發佈研究成果後，萬建民科研團隊在水稻分子遺傳與育種科研領域又取得突破，實現在三大頂尖期刊均發表成果的“大滿貫”。

“我從1991年開始研究‘水稻雜種優勢利用’難題，這也是團隊30年來的科研重點。”在萬建民看來，“大滿貫”是里程碑，但不是終點。

細數這三項成果，幾乎每項都是“十年一劍”，並且無一例外都是由青年科研人員挑重擔、多家單位聯合攻關完成的。

在每一次科研攻關中，這支團隊或多或少總會遇到挫折，但最後的成果標註了奮鬥的價值。“我從沒想過失敗了怎麼辦，只想着如何從黑暗中尋找光明。”萬建民團隊成員、南京農業大學農學院博士後王超龍説。

不怕從頭再來

“整整8年了。”看着自己所在團隊的文章出現在《細胞》雜誌網站的頁面上，王超龍百感交集。只有他自己知道，這條路走得有多難。

2010年開始碩博連讀的王超龍，師從萬建民，潛心研究水稻“雜種不育”的機制。

2015年，在基因功能驗證多次無效後，王超龍發現5年前他接手的試驗材料數據不準確，導致研究停滯不前。

“相當於馬不停蹄跑了5年，結果邁出的第一步就錯了。”這對於醉心科研、滿懷期待的王超龍而言，是個不小的打擊。

走錯一步，浪費了5年，後面的路該怎麼走？

“有曲折才説明有挑戰，我們要做的，就是有挑戰性的、有意義的課題。”導師萬建民的一番話彷彿黑暗中的一道光，照進了王超龍的心裏。

2016年，王超龍開始從事博士後工作。他決定從頭開始，重新構建試驗材料。為了儘可能提高效率，王超龍在南京農業大學的南京土橋水稻遺傳育種基地和海南陵水南繁育種基地之間來回奔走，埋頭試驗。

2019年，得到嚴謹實驗數據的他再一次驚訝地發現，實驗結果和研究假設“對不上”。

“難道是引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的‘守衞者’基因找錯了？”彼時的王超龍無法確定，是老天再一次和自己開玩笑，還是新的研究成果正在孕育之中。

王超龍決定重新驗證實驗數據。關鍵時刻，萬建民讓他帶領的南京農業大學和農科院作科所這兩支科研團隊分頭推進、互不干擾，得出結論後再進行比對。

“驗證數據的那兩年，我和農科院作科所博士後王建，經常一天裏要通五六個小時的電話，還不時討論到凌晨兩三點。”王超龍説。

強強聯合破難關

苦心人天不負。

2年後，王超龍和王建在進行充分的數據比對和討論後，大膽提出了假設：並非原先的基因找錯了，而是存在一種新的遺傳機制。

也就是説，原先認為存在於花粉中的“破壞—守衞”機制，即“破壞者”基因會傷害所有花粉細胞，導致花粉不育，而“守衞者”基因可以阻止“破壞者”基因，因此那些遺傳了“守衞者”基因的花粉細胞，就能受到保護，從而正常發育。這樣的機制同樣存在於植株體細胞之中。

為了論證這一假設，萬建民團隊請來了擁有多年實驗經驗的中國農業科學院研究員吳傳銀，他是植物組織培養和遺傳轉化方面的資深專家。

為了確保每一論證步驟的精準，吳傳銀從實驗設計到載體構建，再到轉化和統計分析都進行了細緻的設計。

2021年夏天，吳傳銀興奮地撥通了王超龍的電話：“你來一趟北京，到實驗室見證。”

當王超龍看到實驗結果與假設完全一致時，他喊了一聲：“找到了！”

“破壞者”“守衞者”這兩大“主角”找到了，可“攻守”機制又是如何發揮作用的呢？

“不要單打獨鬥，要善於合作攻關。”這是萬建民最常説的一句話。

在清華大學教授柴繼傑、香港中文大學教授姜裏文等資深專家的幫助下，王超龍與中國農業科學院研究員熊葉輝深入交流，從蛋白水平上解析了“破壞者”是通過與細胞中能量工廠線粒體的一個核心功能蛋白相互作用，干擾線粒體的產能功能，使花粉因缺少能量不育。而“守衞者”可與“破壞者”直接互作，阻止“破壞者”進入產能工廠，使其不能“作亂”，花粉從而能正常發育。

至此，經過13年的聯合攻關，“雜種不育”難題終於被弄清了。

將理想融入國家需求

面向國家需求、解決重大科學問題，這是萬建民團隊30年來書寫的“糧豐民安”科研故事的主題。

與秈稻亞種內雜交相比，秈稻和粳稻亞種間雜交水稻可將水稻單產提高15%以上，但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。

“結實率80%是前提，如果達不到這個標準，就沒法實現增產。”萬建民説。

30年來，該團隊已發現、定位和命名了27個不育基因和廣親和基因。

30年來，只要條件允許，萬建民都會在週末回到南京農業大學。

“週五搭乘最晚的航班去南京，週日再搭乘最晚的航班回北京。在我的日程表中，沒有‘週末’一説。”萬建民説。

每年5月至6月，在南京市江寧區的土橋社區水稻實驗基地中，萬建民團隊100多位師生一起播種、拔秧、排秧、插秧。萬建民有時間便會參與其中，用行動告訴學生，“做水稻研究，一定要到田間去，一定要緊跟生產實際”。

水稻育種是一項長週期科研工程。為了完成育種任務，有時萬建民團隊成員要蒐集上萬份種質資源，耗費大量的人力、物力和時間。例如，該團隊用18年發掘水稻半不育基因PSS1，用25年才發現水稻部分顯性矮稈多分櫱基因D53……

除了產出高水平研究成果，30年來，這支團隊還圍繞水稻的抗性、品質、氮高效利用、耐鹽鹼水稻品種挖掘等解決現實問題，打通基礎研究與應用研究，串聯起水稻育種的上、中、下游。

“他們將個人理想融入國家和人民需要，將研究工作聚焦國家重大戰略需求，追求真理、不畏艱難、勇於創新，集智攻關。正基於此，萬建民團隊才實現了一個又一個的突破。”南京農業大學校長陳發棣説。