作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2023/12/13 16:44:46
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铁元素是如何进入作物籽粒的

 


33岁转专业,37岁换研究作物;


分子生物学跟老婆学的,遗传学跟学生学的;

不爱出差开会,一天不读文献就不舒服;

清晨6点多赶到实验室,中午从来不休息,每天工作11个小时……

今年50岁的中国农业科学院作物科学研究所(以下简称农科院作科所)研究员李文学,虽然头发几乎全白,但眼神里始终透露着少年的朝气。

20年前,为了探究微量元素如何进入作物籽粒,他开始了科研长跑。如今,这个问题终于有了答案。

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实验用玉米。王一鸣摄


12月8日,李文学团队联合河南农业大学科研团队在《科学》发表研究成果——他们鉴定到调控铁进入玉米籽粒的关键基因,首次解析了其分子机制,有望培育出籽粒富铁的玉米新品系。

“偶遇”生物学关键问题

“不读文献就会觉得心里空落落的,因为文献是别人近几年完成工作的载体。”担心自己被落下,李文学读文献的习惯持续了20多年。

20多年前,李文学在中国农业大学教授、后来的中国工程院院士张福锁实验室读博,是植物营养专业的学生。可那时,他老想着怎么能转到生物学专业。

“从本科起,我就特别向往学生物学,那时候常说‘21世纪是生物学的世纪’。可我高考分不够,被分到了土壤与农化专业。”即便如此,一直到读博期间,李文学还是老老实实地打土钻、取土样,一丝不苟地跟着课题组研究土壤里的元素如何与根系互作,把导师交代的工作竭尽全力做到最好。

“张老师那时候已经关注到了微量元素的生理机制问题。”2000年,李文学为了从事生物学相关研究,开始自学分子生物学,学微生物的妻子成了他的老师。他默默地啃书本、读文献,恶补生物学知识。

2003年,李文学回到中国农业大学工作,开始研究玉米、花生间作体系中缺铁胁迫的应答机制。在实际研究中,他开始思考一个问题:微量元素究竟是如何进入作物籽粒的?

微量元素对生命体而言不可或缺。但微量元素如何在植物体内传递,并进入和储存在籽粒之中,一直是悬而未决的难题。“我当时就感觉这是一个非常重要的生物营养学问题。”李文学说。

在张福锁的支持下,2006年,李文学到美国公派访学,正式转向分子生物学研究。那一年,他已经33岁了。

李文学每天“朝七晚九”,中午只留30分钟吃饭,周末不休息。实验室里所有老师和学生都是他求教的对象。经过一段时间的积累,李文学开始在花生、玉米间套作中微量元素的根际互作领域发表论文,这在当时已属于前沿课题。

与此同时,李文学开始利用模式植物拟南芥研究植物体内微量元素的运输和分布问题。这为后来他在玉米籽粒中寻找微量元素奠定了基础。

从拟南芥到玉米

李文学笑称自己是“社恐”——和陌生人打交道时喜欢往后退,还没等对方拒绝就打退堂鼓。可一提起课题的事,他就两眼放光,讲得津津有味。他觉得自己的性格适合搞科研,能静下心来深究问题,不轻言放弃。

2010年10月,他来到农科院作科所,和比他早两个月到岗的课题组组长、研究员徐云碧联手建立实验室。他们有一个目标——研究平台绝不能比美国差,因为他们深知实验室对科研产出成果的重要性。

仪器、材料,采购、布置,李文学都亲力亲为。实验平台搭建好后,李文学正式开始了玉米研究。

“李老师刚来的时候做拟南芥研究,要转到玉米上挺难的。”徐云碧说。

难就难在拟南芥是一个基因组非常简单、研究方法非常成熟且易操作的模式植物,而玉米的基因组复杂得多,要使用更多遗传学手段。

“什么是基因型,我曾经在一次学术会议上被问住。玉米杂交实验要计算性状分离的比例,我那时候总是算不清楚。”为此,李文学把学生当成老师,把遗传学经典著作认真学完,有问题就请教学生,“很快就搞明白了”。

从拟南芥转到玉米,这一年,他已经37岁了。

彼时,玉米基因组被破解不久,相应的基因组学技术还处在成本高昂的时期,克隆出一个基因得花几年时间。微量元素如何进入玉米籽粒的机理研究,进展缓慢。

尽管如此,李文学团队仍然耐心收集玉米种质材料。最终,他们从各地收集了几百份玉米种质材料,并筛选出273份,构建了试验用玉米群体。

突破性进展:两个人的实验室

论文第一作者、农科院作科所博士后闫鹏帅2017年以河南农业大学联合培养博士生的身份进入李文学课题组,并接手了微量元素进入玉米籽粒的课题。

那时,相关的基因组学技术发展得较为完善,费用也“平易近人”。李文学感到这个课题可以快速推进了。

闫鹏帅在李文学的指导下,分析了玉米群体里273份玉米籽粒的微量元素含量,发现铁元素呈现一个标准的正态分布。“这意味着用这个群体很有可能找到一个调控铁元素进入玉米籽粒的基因。”李文学知道,当时还有几个团队也在研究微量元素进入作物籽粒的机理,但他们构建的玉米群体筛选出来的是铜、钼等微量元素,没有铁。

铁缺乏是一种“隐性饥饿”。全球大约有1/3人口受到缺铁引起的贫血症困扰。根据第四次全国营养调查的数据,中国居民贫血患病率为20.1%,其中一半为缺铁性贫血。虽然通过服用补铁剂等手段可以改善铁营养状况,但是成本较高,甚至存在副作用。

“如果能将日常食用作物的铁含量提高,有助于低成本地改善大范围人群的铁营养状况。”李文学觉得,这对于发展中国家意义重大。

突破性进展出现在新冠疫情暴发的那段日子。那时,“被困”的李文学和闫鹏帅彻底静下心来,每天做实验、一起讨论……闫鹏帅遇到难题时,李文学就从文献里找灵感,向他推荐他人的思路和做法,闫鹏帅再一步步尝试这些方法。渐渐地,实验中的症结显露出来,解决问题的办法越来越清晰。

李文学(左二)和团队成员在实验室。王一鸣摄

“我们往前走了一小步,所以找到了答案。”李文学让闫鹏帅从正态分布曲线上选取铁含量最高和最低的3份玉米籽粒材料,一个个地进行RNA测序,而不是把它们混合在一起测序。

“那天我拿到报告,初步锁定了一个参与调控玉米籽粒铁含量的候选基因。”闫鹏帅非常兴奋。李文学也感到前所未有的振奋。他回忆说,这种感觉即便在得知论文被接收时也没再出现过。

他们进一步解析了候选基因ZmNAC78如何帮助铁元素进入玉米籽粒的分子路径。为了探索该基因在育种上的应用,他们在不同pH值的土壤里分别进行对照实验,发现具有优良候选基因的玉米籽粒铁含量比对照组平均高出25.82% ~ 33.91%,并且所选育的玉米材料显著高于国内杂交玉米品种每公斤18.5 毫克的籽粒平均铁含量。

富铁玉米:解决“隐性饥饿”的新选择

2022年,李文学开始写论文。他很清楚要写一篇什么样的文章,投稿目标是一本高影响因子的期刊。

3个月后,他写好了第一稿。华南农业大学教授储成才读完初稿后,建议他多从期刊编辑的角度看问题。一个月后,李文学拿出了更满意的版本。

李文学把论文投给《科学》杂志。第六天晚上,李文学收到了编辑回信,要求他们提供论文的word版本。“有戏!”李文学当天就给编辑回复了邮件。第二天他们就收到了论文送审的答复。

经过几个月的修改和忐忑不安的等待,他们终于得到了论文被接收的消息。论文评审专家认为,铁进入作物籽粒的路径几乎是完全未知的,他们的结果首次解析了该过程。

储成才得知这一消息后表示,这一成果不仅为培育高产与营养协同作物新品种提供了基因资源,也为解决缺铁性贫血这一“隐性饥饿”的世界难题提供了新的解决方案,意义重大。

长期关注分子育种的徐云碧认为,这项成果应用了分子育种技术,是他所了解的基础研究工作中跟应用结合得非常密切的一个项目。

李文学第一时间给张福锁发了一条微信:“我今天终于敢向您汇报我的工作了。”张福锁很快回复说:“感谢你一直以来的坚持不懈,感谢你解决了铁元素如何进入玉米籽粒这一悬而未决的植物营养学难题。祝贺你!”

李文学表示,他们已经利用传统育种手段培育出了富铁玉米新材料,有望为解决铁等微量元素缺乏的“隐性饥饿”问题提供新的选择。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.adf3256

 
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