作者:都芃 来源:科技日报 发布时间:2021/12/27 9:49:39
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田志喜:给中国大豆“嵌入”高产基因

 

走进中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)研究员田志喜的实验室,最先入耳的是一阵阵“哗啦”声——一群学生正扬起刚收获不久的大豆。金黄的豆粒在柳条编织的簸箕中上下翻飞,与农家的丰收景象别无二致。而在走廊另一侧,现代化的科研仪器正在井然有序地运行,古老的农作物,在这里被赋予了新的价值。

这也暗合了田志喜的“双重”身份:在田里的时候,他是个勤恳的“农民”,一心只想种好大豆;而在实验室时,他是攻克大豆难题的科学家,目标是“为中华大豆之崛起而奋斗”。

前不久,第十三届“谈家桢生命科学奖”获奖名单公布,田志喜因在大豆基因组学等相关领域取得了突破性研究成果获得该奖项。

从果树到大豆的三次跨越

最初,田志喜并不是研究大豆的。本科与硕士阶段学习果树专业的他,在2000年研究生毕业后留在母校河北农业大学工作。2001年,田志喜被借调至国家自然科学基金委,协助申报项目审批等相关工作。在那里,田志喜“大开眼界”,接触到了许多此前不甚了解的领域,求知欲再度被唤起,他下决心要继续读博。他将目标锁定在更侧重基础研究的遗传发育所,由此田志喜开始了他的第一次跨越。

分子生物学、分子遗传学……一直从事应用研究的田志喜此前较少接触此类内容。为了备考,他听说自己以前的同学在教授“分子生物学”课程,于是他一有空就跑去听。考博成绩公布,田志喜被录取,师从中国科学院院士李家洋。

博士毕业后,田志喜前往美国普渡大学从事博士后工作,真正的考验也从此开始。之前还算顺利的他,初到美国,就遭遇了前所未有的困难。博士后所进行的研究与博士阶段并不相同,无从衔接,他又要从头学起。此外,面对当时空无一物的实验室,他还承担起了从零开始组建实验室的任务。

刚一开始,科研进展得不顺利,实验室工作繁重,田志喜越做越觉得迷茫。田志喜至今记得,那年普渡大学所在的印第安纳州下起暴雪,他在齐膝深的雪中艰难前进,一如他初到美国时的生活。但田志喜不想坐以待毙,为了尽快找到正确方向,他白天在实验室工作,晚上回到家中自学生物信息学相关内容,拓展研究领域。“那时,我经常发愁,整晚睡不着。”他说。

但转折很快到来,快速掌握生物信息学知识让田志喜很快找到了正确的研究方向,接连产出多项重要成果。2010年9月20日,田志喜清楚地记得这个日子,他回国接受遗传发育所的考核答辩。半年后,他回到遗传发育所任职,开始了独立探索的科研生涯,完成了自己的第二次跨越。

但回来以后研究什么,成了困扰当时田志喜的大问题。“水稻、玉米当时都考虑过,反而是大豆以前接触的比较少。”他迟迟难下决心,反复与学界好友、遗传发育所领导等交流探讨。

凭借着对大豆重要性的初步认识,田志喜决定挑战一下。“我们国家每年要进口那么多大豆,能否实现自给自足呢?”他回忆道。

田志喜给自己定下了目标,先扎扎实实做5年基础研究。4年后的2015年,田志喜因在大豆领域取得的突出成果,获得“国家杰出青年基金”资助。他愈发相信,选择大豆是正确的,而他也实现了自己的三次跨越。

做中国的大豆基因组平台

在田志喜实验室最中间的一根柱子上,写着一句话:为中华大豆之崛起而奋斗。这是田志喜给自己和实验室团队成员立下的目标。

田志喜最初的想法是在5年基础研究结束后,全力以赴攻关大豆固氮。本科时,他就比较关注这方面,“这是那种一想到就会让科学家感到兴奋的研究”。但随着对大豆了解得愈加深入,田志喜愈发觉得作为大豆科研人员的压力与责任。“我国的大豆现状不容乐观,还是想做一些能直接解决现实问题的研究。”他说。

田志喜介绍,小麦、水稻等都是经历了“绿色革命”的粮食作物,产量在过去一段时期内得到了大幅提升。但大豆并未经历这个过程,其产量在过去几十年中没有大幅增长。而我国的情况则尤为严峻,大豆对外依存度超80%,只有不足20%的大豆产自国内。

田志喜心里清楚,要提升国内大豆的总体产量,首先要在基础研究上下功夫。“我国大豆平均亩产仅为130公斤左右,而世界主要大豆生产国平均亩产已可达220公斤,差距还是比较大的。”他分析,导致这种现状的原因,除了有限的自然地理条件外,育种水平不足也是一大短板。

结合此前学习过的基因组学的相关知识,田志喜意识到这其中还有许多工作可做。此前在植物界,一直没能找到一个可以全面地将不同个体的基因组整合到一起的方式,而关于大豆基因组的相关内容则更是少之又少。田志喜想试一试,他想做一个中国的大豆基因组平台。

田志喜联合多位科研工作者,对来自世界大豆主产国的2898个大豆种质材料进行了深度重测序和群体结构分析,从中挑选出了26个最具代表性的大豆种质材料,并以我国自主培育的“中黄13”等大豆品种为基础,对其进行高质量的基因组从头组装和精确注释。同时,他们借鉴人类基因组相关研究的工具及方法,最终成功构建出了大豆图形结构泛基因组分析,这是全球首次在植物中实现基于图形结构基因组的构建。2020年6月17日,该成果在线发表于《细胞》,审稿人毫不吝啬地称其为“基因组学的里程碑工作”。

但田志喜还有更多的期待,他希望这个平台以后能为更多的科研工作者服务。“个人的力量终归是有限的,希望这个平台能作为一个基础,催生出更多的科研成果。”他说。

会种地、持“家”的科学家

从事农作物研究,获取研究材料是关键的一步,因此田志喜每年都要亲手种下他的研究对象。

田志喜有一套专门干农活的“装备”——迷彩服、胶鞋,各种农具他使用起来,很是得心应手。田志喜说,自己在地里时就是一个地道的农民。

不过,这位“种地老手”仍忘不了刚回国种大豆时的尴尬。那时,田志喜的实验室刚刚建立,加上他自己只有4个人,团队研究从最基本的种大豆开始。

第一次,100份种子撒下去,田志喜非常期待。结果一段时间过去,迟迟不见种子萌芽。田志喜陷入了焦虑,“睡不着,凌晨4点就起来,想去看大豆怎么样了”。最后,第一批种下的100份种子仅收获了约2/3。“那时别人都说,一看长得不行的地就知道是田老师的。”田志喜自嘲道。

但田志喜不甘心,反复找原因,旁人提醒他:“不同地区的土质松软程度不一样,一个坑有时要多放几粒种子,形成合力才更容易冲破土壤萌发。”

如今,田志喜的团队已扩充至二十余人,但他仍没事就往地里跑。而他的目标也更大了,他要在盐碱地里种大豆。“之前极少有人做大豆的抗盐碱研究,但要想进一步提高国内大豆的总产量,就必须开发盐碱地。”他说。

第一次试种结果同样是惨不忍睹,但他很快就找到了办法。“我们借鉴了在盐碱地里种棉花的经验——铺地膜,这样就可以有效减少水分蒸发、降低土壤的含盐率。”田志喜还请了当地一位村民帮忙进行日常打理,并特意叮嘱道“不用额外浇水,自然条件是什么样就保持什么样”。村民意识到,这位大豆专家是真的想做成事,并因此对试验田的管理格外用心。

如今,田志喜的课题组在山东省东营市共有100亩的试验田,每年能试种大约3000份种子,其最新亩产已达到226公斤。但田志喜很清楚,几次试种成功并不能代表什么,想实现大规模推广,需要更加长期的研究、试种,他还有很多工作要做。

在田志喜课题组的网站主页上,写着一句 Welcome To SWEET HOME。SWEET HOME是他给自己实验室取的别称,sweet(甜)暗合了他的姓氏,home则是他希望实验室能像家庭一样温馨、和谐。同时,这9个英文字母,也是他为实验室定下的9条原则的英文首字母缩写,分别代表着安全、热心、热情、效率、团队精神、诚实、开放、谦逊、享受。

“筹建实验室的前3个月没干别的,一直在想这个。”因为他相信,文化与价值观念能够对人产生更加深远的影响。而团队也要像种子一样,依靠着共同的价值观念,形成合力才能突破重重困难,最终取得丰收。

 
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