作者:李晨 蒋朝常 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/19 11:06:51
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10年4发《自然—遗传学》 为回答这个“灵魂拷问”

 

 

2013年夏天的一个傍晚,华中农业大学棉花团队带头人、教授张献龙把博士一年级学生王茂军叫到办公室,对他提出了一个“灵魂之问”:“棉花是个异源四倍体,有两套不同来源的亚基因组,它们究竟是怎么调控纤维发育与品质形成呢?”

此后10年,王茂军在张献龙带领下一步步解开这个问题的答案,连续发表了4篇《自然—遗传学》论文;他也从一名博士生成长为华中农业大学教授,带领自己的团队在棉花育种的道路上继续深耕。

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团队在新疆的棉花实验田。受访者供图

10月16日,《自然—遗传》在线发表了他们的最新成果。解析了异源四倍体陆地棉两个亚基因组对纤维发育和品质形成的动态协同调控机制,阐释了亚基因组同源基因用于纤维品质改良的潜力,提出了基因组模块化的优质棉设计育种构想,创新了多倍体性状优势形成的调控理论和育种理念。 

“一次灵魂拷问”

王茂军还清晰地记得十年前那个傍晚。正当他面对张献龙提出的“灵魂拷问”快速“搜索”大脑中相关知识“内存”时,张献龙又开始发问:“世界上有没有研究先例?”“有没有相关文献?”“我们能不能做?”

这个问题的提出,实际上基于解决“国家的优质棉短缺”的宏伟愿景。

张献龙告诉《中国科学报》,科学研究发现,四倍体陆地棉的两个亚基因组都存在调控棉花纤维品质形成的基因。既然如此,究竟是哪套亚基因组上的基因在调控棉花纤维品质?或者说,在全局水平上两个亚基因组如何协同调控纤维品质形成?

“由于这个问题不清楚,导致陆地棉种质资源的靶向性育种利用不强,限制了陆地棉纤维品质的进一步育种改良。因此,研究两个亚基因组如何协同调控棉花纤维形成这个重大理论问题对优质棉花纤维育种至关重要。”张献龙说。

在王茂军看来,这是一个富于远见卓识的问题。“在当时回答这个问题是非常困难的,我们的基础非常薄弱,薄弱到什么地步呢?我们连棉花亚基因组是什么样子都不知道,都没有完整的四倍体棉花基因组。所以我们迈出了第一步,组装异源四倍体棉花——海岛棉的基因组。”

那时候,基因组学研究领域已是一片“红海”,国内外的研究者都看到了该领域的研究价值,每个月都有新的基因组发表。 

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王茂华在华中农大黄岗基地棉花实验田。受访者供图 

面对薄弱的生物信息学基础以及严峻的竞争形势,张献龙鼓励王茂军不能退缩。王茂军向同领域学者请教问题、与课题组成员讨论进展、从早上7点到晚上12点,他奋力追赶基因组学研究的前沿。

2015年,海岛棉基因组草图组装完成,他们发现,At亚基因组与Dt亚基因组上,参与纤维素合成的关键基因在纤维发育不同时期出现差异表达。基于此,提出了“亚基因组合作调控纤维发育的接力模型”。

张献龙说:“第一关已经迈过去了,后面要解决更深层次的问题。” 

十年步步为“赢”

同年7月,王茂军开始了新一轮的研究——将陆地棉的野生种系与栽培品种进行比较。之所以要研究这个问题,是因为陆地棉野生种纤维棕黄而短,陆地棉驯化种则具有白色的长纤维。陆地棉经历了什么才发生这种转变?

在新的课题中,王茂军持续汲取新的知识、锻炼自己的分析技巧。高强度的学习工作并不使他疲惫,新的事物、新的认知让他越发兴奋。

2017年,相关研究成果在《自然—遗传学》上发表。王茂军说,在5000多年的驯化历程中,两个亚基因组中通常仅有一个亚基因组被人工选择,说明其对纤维品质形成很重要。“同时这让我们进一步思考,没有被育种选择的另一个亚基因组究竟怎么调控纤维品质。”

于是,他们尝试从纤维品质更优的四倍体海岛棉身上寻找答案。用海岛棉改良陆地棉,是否有望得到产量高、品质好的理想的棉花?

2019年,相关研究成果再次发表在《自然—遗传学》上。这一次,他们找到了控制海岛棉特优纤维品质的相关遗传位点和基因。“这些基因定向导入到陆地棉的一个亚基因组中,可以提升陆地棉的纤维品质。”王茂军说。

棉属广泛分布于美洲、亚洲、非洲、澳洲,不同棉种植株差异明显。于是他们想,能不能找到更多的未被利用的优异基因,去改善棉花纤维的品质?

他们尝试从陆地棉、海岛棉的祖先身上寻找答案。2022年,相关研究成果第三次发表在《自然—遗传学》上,这一次,他们找到了棉花纤维“从无到有、从有到优”演化的原因。他们还找到了一些亚洲棉特异的基因,预期将它们导入陆地棉也可以提升纤维品质。

三篇文章的发表,让团队信心大增,他们决定一举攻破2013年的“灵魂拷问”。

 

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王茂军(中)和团队成员在实验室。蒋朝常摄 

“根据长时间的研究,我们确定四倍体棉花两个不同起源的亚基因组,是它在育种上天然的优势。”王茂军说:“如果能用好这两个亚基因组,棉花纤维的品质一定会更上一层楼。”

科研就是“两横一竖——干”!团队立马制订了详细的研究计划。

马益赞博士从全世界收集的棉花材料中精心挑选了400份种质。2019年7月,由涂礼莉带队,一行13人浩浩荡荡驻扎进了华中农业大学黄冈基地,进行了田间试验和样品收集。同时,在室内开展基因敲除实验验证……

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团队成员在黄岗基地进行棉花实验。受访者供图 

2021年4月,项目正式进入数据分析阶段,团队开始了3天一讨论的“魔鬼”训练。

“刚开始真的不理解,就算生物信息学分析的周期比做实验快很多,3天我们能拿出什么进展?”博士生刘振平回忆,“有时候连续几个3天拿不出有用的进展,对自己会有些失望。”

“那时就对自己产生了怀疑,觉得自己没有这个能力”,博士生尤佳琦说,“后来明白王老师是在推着我们、拉着我们往前跑,带着我们跨过一道道科研路上的坎。”

数据规律可以,展示方式还能优化;展示方式可以,颜色搭配不好看;颜色搭配可以了,文字描述还能改进。王茂军在每一处细节都用工匠精神去精益求精。”博士生戚正阳说:“无论聚餐、开会还是出差,我们都离不开课题讨论。”

“我明白科研的道路上总是有很多挫折,我也经历过。”王茂军说:“做科研是件幸福的事情,我希望我的学生都能体会到。”

尤佳琦说:“为排解科研压力,王老师经常向我们分享一些历史故事。虽然工作很辛苦,每个人都充满斗志和干劲儿。”

2019年在黄冈播下的种子,终于在2023年开花结果。第四篇《自然—遗传学》文章上线。

两代人的接力

从2019年博士毕业到2023年,王茂军的研究小组已经从5人壮大到了23人,至少两代人得到了锻炼与成长。

在张献龙的指导下,王茂军从心系棉花的莘莘学子成长为独当一面的青年科研人员。在王茂军的指导下,尤佳琦、刘振平、戚正阳等从跟在师兄师姐背后的小师弟小师妹,成长为值得依靠、信赖的师兄师姐。

值得一提的是,尤佳琦、刘振平两位同学的本科班主任正是张献龙,副班主任是涂礼莉,他们大三时以“硕彦计划”进入了王茂军的实验室。这样的师承,成为一段佳话。 

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团队成员在黄岗基地。受访者供图 

经过10年不懈探索,团队师生深深地感受到做科研是一件既辛苦又幸福的事情,接下来他们要把论文变成性状应用和生产实践。

“我们当前提出的通过优化亚基因组同源基因表达来改良纤维品质的构想,算是对十年前张老师的问题做出了初步的较为细致的回答”,王茂军说,“我们找到了陆地棉两个亚基因组‘接力’协同调控纤维品质形成的基因模块,并分析了其在育种过程中的利用情况,也为进一步精准改良纤维品质提供了理论依据。”

他们分析了现在生产上的栽培品种,只有大约30%的两个亚基因组都存在的纤维相关基因被大部分品种利用了。王茂军说,这就暗示在两个亚基因组中还有相当大一部分基因没有同时被育种利用,即两个亚基因组对纤维品质的贡献还有巨大潜力值得挖掘。

“它是我们在多倍体物种中开展育种应用、改良性状的一把金钥匙。要更清楚地回答‘灵魂拷问’,还有很多研究需要开展。打破砂锅问到底,未来我们将继续打磨这把钥匙,进一步推动基因组设计育种,育成优质高产的棉花品种。”王茂军说。

张献龙说:“我们已经做了很多基础研究、很多理论研究,打下了很好的基础。但是最终,研究应该落脚在品种改良上,要开发育种新技术,并育成更好的品种,为棉农增添福祉。” 

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-023-01530-8 

 
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