作者:任芳言 来源: 中国科学报 发布时间:2019/8/26 10:03:09
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“全链条”创新助推柑橘产业

邓秀新(右一)仔细查看柑橘生长情况。

 

编者按

国家自然科学基金创新研究群体项目,旨在支持优秀中青年科学家,共同围绕一个重要研究方向合作开展创新研究,培养和造就在国际科学前沿占有一席之地的研究群体。

多年来,在该类项目的支持下,一批科学家成长为学术带头人和研究骨干,实现多个前沿领域从“跟跑”到“并跑”“领跑”。其中,在生命科学领域,中国科学院院士舒红兵、中国工程院院士邓秀新领衔的两个团队,均连续获得三期创新研究群体项目资助,在各自的领域成绩斐然。本期基金版聚焦上述两个科研团队,展示他们科研工作的风采。

■本报见习记者 任芳言

“为什么有的橘子在南方是绿色,越往北却越红艳?把柑橘的颜色弄透,可以举一反三。”8月2日,接受《中国科学报》采访时,中国工程院副院长、中国工程院院士邓秀新这样表示。

他从办公桌上拿起一个形似木瓜的橘子,“这个橘子是今年4月在云南怒江州摘的,在北方,受温度降低的刺激,它的颜色会越来越红”。

作为现有院士队伍中唯一一名因柑橘领域研究获选的学者,邓秀新被称为“柑橘院士”。他领衔的国家自然科学基金创新研究群体项目历经9年、持续3期,解决了多项我国柑橘产业中的关键问题,涵盖基础研究到产业这一创新的“全链条”。

“科研成果要上得了天,更要入得了地。”邓秀新强调。

9年“4个一” 从基因到市场

买生鲜果品,看颜色分辨好坏是人们最常用的法则。水果色泽形成机制如何?在邓秀新看来,这种从生活中来的问题最值得下功夫研究。

“而在基础生命科学领域,这样的问题不能被完全覆盖到。”基于这样的考虑,邓秀新带领团队获得了国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。从2010年第一期项目开始,再到2018年第三期项目结题,他们围绕“园艺作物种质资源研究与遗传改良”这一主题,研究问题愈发贴近和聚焦实际生产。

9年中,邓秀新团队得到了“4个一”:一套技术、一条新路、一张图和一份特殊的遗传材料。

其中“一套技术”就是调控柑橘表皮颜色的方法。这一技术始于关键基因的发现,延伸到市场应用中。

身为“柑橘院士”的邓秀新,往不同柑橘产区跑是常有的事。在南方各地搜集柑橘种质资源,更是邓秀新团队的必修课。将从各地搜集到的柑橘与其色泽相对应,研究团队发现:地点越靠北的柑橘,果皮颜色往往越红艳。而生在南方的橘子虽然“卖相不佳”,但往往含糖量更高、香味更好。

艳丽与芳香,只需一样就够了吗?这一疑问经过多年探索,终于有了答案——研究团队发现,柑橘颜色变化与PSY、LCYB2和CCD4b等关键基因的表达调控有关。

历史上,柑橘随着往北或往冷凉地(迁徙)种植,这些基因启动子区域出现DNA插入,表现出对低温或逆境比较敏感。例如红橘,当秋天来临,温度降低诱导果皮CCD4b基因表达,果皮中的类胡萝卜素降解成脱辅基类胡萝卜素——柠乌素,果皮就变成了深红色。

在研究人员看来,弄清楚柑橘色泽形成的机制后,就可以通过改变温度、逆境处理或人工给与逆境信号(如乙烯处理)等措施,使原本橙黄的表皮变成橘红色。

利用这些新认识,结合品种的遗传特性,研究团队研发出让早熟脐橙果面转红的生物促色技术。如今这项技术已经在赣南脐橙产区得到示范应用,脐橙经过生物手段诱导,原本青黄相间的橙子只需要5天即变成橘红色。兼具了早熟与艳丽特性,果农种的早熟橙子也有好的卖相,由于上市早,价格更好。

“4个一”当中的“一条新路”,也是紧跟市场需求诞生的。2015年,国际上首例通过细胞融合直接培育的“华柚2号”柑橘品种诞生,全靠邓秀新团队的“独门绝活”:细胞工程技术。他们在不改变目标品种其它性状的前提下,仅通过转移温州蜜柑含CMS的细胞质,就能创制无籽新品种。

事实上,细胞工程技术历来是邓秀新团队的强项。早在邓秀新攻读博士期间,他便攻克了柑橘原生质体培养及植株再生技术。中国也因此成为继以色列和日本之后,当时世界上第三个获得柑橘原生质体再生植株的国家。

华中农业大学园艺林学学院教授、团队成员郭文武告诉《中国科学报》,细胞工程技术诞生于分子生物学技术之前,后者问世后,研究团队也没有放弃这一研究方向,最终成功通过细胞融合转移柑橘雄性不育的细胞质,培育出无核品种。

广泛寻找得材料 细胞工程结硕果

得益于30多年的细胞工程研究功底,研究团队在短时间内创制出甜橙的DH(双单倍体)系,并在不到一年内完成甜橙基因组测序,这是由我国研究人员自主完成的第一例果树基因组测序图谱,也就是创新群体研究项目“4个一”中的“一张图”。

完成甜橙基因组测序后,研究团队构建了柑橘基因组综合分析平台,成果向世界各地的同行开放。如今,这一平台已经成为国际上柑橘基础研究的重要平台。

此外,华中农业大学园艺林学学院教授、团队成员徐强与合作者一起,采用比较基因组、遗传学等手段解析了柑橘“多胚”的分子机制,找到了关键基因CitRWP,这是柑橘界第一个通过正向遗传学发掘到的功能基因。

“4个一”中的最后一个,指的是“一份遗传材料”——单胚山金柑。

此前人们仅发现过山金柑的多胚品种,杂交后难以得到杂交后代。单胚山金柑由多胚品种自然突变而来,播种当年即可开花结果,一直是寻而不得的珍贵材料。有了它,研究者无需再为柑橘结果年限过长、杂交得不到杂种等问题而苦恼。

2000年以来,邓秀新常到全国各地的柑橘产区帮果农引品种、做培训,与福建当地一名果树站站长有了深厚的交情。果树站站长得知邓秀新团队一直在寻找一种罕见的山金柑后,便发动广大乡亲,将山里可能找到的野生柑橘材料寄往华中农业大学。

果不其然,在从福建寄来的几百份柑橘材料中,研究团队发现了目标。随后,他们在当地一条山沟里找到了单胚山金柑。这意味着园艺界“桃三李四柑八年”的常识被打破,诸多遗传学研究从此成为可能。

中坚力量起 代有才人出

作为1988年就拿过青年科学基金项目的研究者,邓秀新“出道”较早。在他看来,能获得自然科学基金项目资助意义重大。“这不仅是给团队以资金支持,更是给了我们一个研究不同问题、走到世界最前沿的机会。”他说。

与此同时,一批人才也随项目的推进而成长。邓秀新坦言,科学研究中单兵作战已经过时,“要考虑能否汇集一种力量,解决学科中的关键问题”。

一步步攻下柑橘研究难关的同时,邓秀新团队拥有了一支结构完整的科学家队伍。继“60后”带头人邓秀新之后,还有以郭文武、徐强等“70后”和“80后”组成的中坚力量。

“我们团队包容性强、分工明确。”团队成员、华中农业大学园艺林学学院教授程运江告诉《中国科学报》,在这里,每个人不论资历,都有充分探索问题的机会。“邓老师常说,好学生是鼓励出来的。”程运江表示。

多年来,邓秀新有自己的一本“柑橘经”:顺境出产量,逆境促品质。“做科学研究也是这个道理。”他说。

多年来扎根同一个方向,研究团队正是在各种“逆境”中成长壮大,推动我国园艺学科发展。自柑橘基因组平台和DNA指纹数据库等搭建以来,近几年相关领域的大量分子生物学研究成果在中国学者手中诞生。“这个地基是我们在打,对后续发展有很大影响。”邓秀新表示。

理论联系实际,实践推动理论研究,这是邓秀新团队朴实的“科研经”。未来,该团队将继续聚焦柑橘品质的遗传改良与调控,上至基础前沿的分子机制,下到对产业有益的应用研究,推动柑橘产业在创新全链条上不断发展。

《中国科学报》 (2019-08-26 第4版 自然科学基金)
 
 
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