作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/27 16:58:41
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坚持“减肥”18年,1%的成功是他们的前驱力

 

作为一名遗传学研究者,通俗地说,中国科学院遗传发育所(以下简称遗传发育所)研究员傅向东是一个给水稻“减肥”的人。

“人吃多了会胖,容易伴发代谢疾病。水稻和人一样,肥吃多了也会‘变懒’——根系变小,吸肥能力降低。”研究水稻氮肥高效利用多年,傅向东深谙这种作物的脾性。

但如此一来,水稻吃不下的肥料就会积在土壤或流入江河湖海中,造成环境污染。

众所周知,我国是世界上最大的化肥使用国,不少人认为应减少化肥施用总量。但傅向东认为,生活水平提高和人们对蛋白质需求增加意味着食物链中氮需求的增加,缩小化肥“总盘子”并不现实,关键在于用同样质量的肥料,生产出更多的蛋白质食物。

2005年以来,傅向东与团队试图通过挖掘潜在的“高产+氮高效”优异等位基因,并将其按需组装,突破优良性状间相互拮抗的育种瓶颈。他们还培育出“中禾优”系列水稻,在实践上实现了减肥增产双赢。

十八载的持续深耕让傅向东和合作者获得不少荣誉。两年前,他们走进人民大会堂,抱回烫着金字的大红色国家自然科学奖二等奖证书。近期,他们又获得中国科学院杰出科技成就奖。今年年初,傅向东还获得首期“新基石研究员项目”资助以尝试新的想法。

“不同时代作物育种总会有新的问题。”傅向东说,他希望把给作物“减肥增效”这条路走到底。

成功的“1%”

北京奥运村,遗传发育所一个七八平方米的小型育苗室内,水稻、小麦、拟南芥等多种或水培,或生长在琼脂培养基中的实验材料,在培养架上悄然生长。

尽管身材都很“迷你”,这些材料“身价”却不一般。据介绍,一小盘苗的成本高达1500~2000元,它们都转入了科学家看好的潜在优异等位基因,通过材料的长势可“管窥”目标基因是否理想。

“比如这盘突变体的根系比较多,株高更高、叶子更绿,说明氮吸收更好;这盘叶子明显泛黄,说明氮利用率不高。”傅向东指着其中两盘水稻苗对《中国科学报》说。

傅向东心中的理想基因是:在给肥料做减法的同时,能够给产量做加法。

这样的“加减协同”也是育种上的难题。

上世纪60年代,半矮化作物育种引领了农业史上的“绿色革命”,让全世界水稻和小麦产量翻了一番。但半个世纪后也给农学家带来了新的困扰。农民大量施肥,不仅没有获得想要的产量,还带来了土壤酸化、湖泊污染等环境问题,副作用日益突显。

这场“绿色革命”究竟如何影响产量与化肥利用效率?长久以来,其中的机理并不清楚。在英国约翰·英纳斯研究所做博士后期间,傅向东找到了问题所在。半矮化品种中阻遏赤霉素信号途径的一个植物生长抑制因子——DELLA蛋白的积累会升高,这让作物降低株高有效提高了抗倒伏能力,但也伴随着作物穗粒数减少、氮肥利用效率下降。

能否扭转半矮化品种的劣势,超越绿色革命呢?

傅向东希望啃下这块“硬骨头”。

这些年,他和合作者已经找到多个实现“减肥增效”的潜在路线,可在不改变株高的条件下,增加穗粒数、分蘖数,实现高产和氮高效协同改良。

其中一条路线涉及影响植物生长发育的G蛋白。2005年起,傅向东与中国水稻研究所研究员钱前合作,在沈阳农业大学教授杨守仁培育的超级稻“沈农265”中挖掘到一个有助增加水稻穗粒数的基因——Gγ蛋白的DEP1基因位点。此后十余年的研究中,他们发现,这个基因不但有助高产,还能提高氮肥利用效率,并将这个仅存在于我国东北和长江中下游粳稻中的基因,进一步拓展到籼稻上,培育出亩产超1000公斤的籼粳杂交稻。这条路线为解决“绿色革命”负面效应,实现减肥增效提供了新的育种策略。合作团队因此获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

第二条路线是影响植物碳-氮代谢的赤霉素信号通路。他们通过筛选全世界的水稻资源材料,从携带“绿色革命”基因的水稻资源材料中克隆了一个氮肥高效利用的关键基因GRF4。该基因不仅能促进氮的吸收,还能提升光合作用,为植物碳-氮协同高效利用打开了一扇新窗户。相关研究2018年发表于《自然》后,日本学者松冈信认为它为“少投入、多产出”的新“绿色革命”和高产高效协同改良的农作物新品种培育提供了重要的新基因资源。

第三条路线则是优异等位基因组合叠加。在维持半矮化育种基础上,傅向东与合作者还克隆了其他多个能够提高氮吸收能力的关键基因,如控制水稻生长发育氮响应基因NGR5(2021年4月《科学》杂志封面文章),该基因能够在减少氮肥投入的同时增加水稻分蘖数。此外,GRF4、NGR5也能与DELLA蛋白互作,可协同提高作物光合作用和氮肥利用效率,且保持半矮化性状。他们将DELLA,GRF4与NGR5进行模块化组合,可实现减肥增效。

接二连三的亮眼成果,让很多人向傅向东取经:“成功率为啥这么高?”

傅向东的回答是,其实99%的实验都是失败的,只有1%的成功被写到了论文里。

“要找到一个具有重大育种价值基因很难,就像大海捞针一样,总是要经历很多失败。”他说,“有时一项研究会遇到死胡同,有时一项成果在发表时总觉得还差点火候,就只能先放下。过几年,有了好的思路再重新做。”

傅向东的电脑里存着许多篇写完后未发表出来的文章。至今,他的第一个博士生蒋才富在2007年撰写的一篇论文仍在一个“未发表”的文件夹里躺着,而这位博士生如今已是中国农业大学的一名教授。

傅向东在遗传发育所小型育苗室内观察水培苗的涨势。 冯丽妃摄

2018年发表的论文登顶《自然》封面。受访者供图  ?

2021年发表于《科学》的封面论文。受访者供图

田间的源泉

今年二月,遗传发育所温室里培育了近两个月的秧苗材料被从北京空运至海南,在农业“南繁硅谷”的实验田落地生根,它们承载着傅向东和团队的新期待。

“做分子生物学的人,不是只做‘马后炮’的事情。”傅向东常这么说,“除了解释优良品种优势产生的遗传机制,发好的‘paper’;还要能解决一些实际问题,真正为农民带来利益。”

每年,傅向东和团队会在海南种水稻,那里的热量高,水稻生长周期短,可以更快地验证他们的想法。

在安徽,十多年来,他们的实验田从无到有,已增长到如今的100亩。在田里,他们会尝试把不同的优良等位基因聚合在一起,探索其能否达到理想的“减肥增效”目标。

事实上,在作物育种中,并非所有优异基因的组合都能起到“1+1>2”的叠加效应,很多优异等位基因之间会相互拮抗(或阻抑)。这意味着,需要在研究清楚其互作机理的条件下,才能逐步增加聚合的基因数目。

基于十多年的分子机理研究,傅向东与合作者已经培育出系列“中禾优”国审品种。据介绍,这些设计型新种质资源目前已经发展到第11号。

“每一个编号我们都想尝试解决一个问题,把难以协同改良的优良性状整合到一起。”傅向东说。

以中禾优1号为例,这一品种更突出高产和高效。在正常施肥的情况下,比对照品种的产量增幅可达18%左右。在安徽,这一品种在不施肥、不打农药的条件下,让稻田中养小龙虾的农户亩产收获600公斤。

由于中禾优1号较市场上的优质稻米粒长短,研究团队通过进一步聚合细粒长相关优异等位基因,推出中禾优3号和中禾优5号,培育出外观品质更细长的优秀稻米。

从实验室发现产量和氮肥利用效率难以协同调控的关键分子机理,到大田里突破高产和氮高效难以协同改良的育种瓶颈,傅向东表示,这些都离不开长期深入的合作。从“沈农265”开始,傅向东和钱前的合作已持续了十几年。“钱前院士的水稻资源很丰富,也非常懂农学。我是生物学出身的,没学过农学,也没种过田,回国之初对农业生产上的一些瓶颈问题两眼一抹黑。从材料共享到专业互补,我们的合作一直非常紧密。’”傅向东说。

今年二月,中国科学院杰出科技成就奖获奖名单中,除了两位“老搭档”,还有遗传发育所青年研究员吴昆、副研究员刘倩和南京农业大学李姗,三位青年科学家都是近年来团队培养的骨干人才。

两位“老搭档”。受访者供图

此外,傅向东表示,这些年的成绩也离不开与育种家、企业家的合作。荃银高科公司种业公司研究员张从合、嘉兴市农科院研究员黄海祥以及中科院合肥物质院研究员吴跃进也是长期的合作伙伴。当培育出好的水稻材料时,他们会通过基因组测序找到背后的分子机制;在育种遇到困境时,他们会利用已发现的优异等位基因针对性地进行改造与补充,让理论研究与育种实践在相互“反哺”中共同成长。

与坐办公室相比,傅向东更喜欢下田。

回国以来的18年,他每年的国庆节都是在稻田里度过的。他会和学生一起,仔细观察田里作物的表型,分析它们与实验预期是否存在差距,有时一些意料之外的表型会给他们的实验打开新的窗户。

类似中禾优系列品种的多基因设计与聚合实验,傅向东与合作伙伴还在继续尝试。

在农业界,从实验田产量到审定品种产量再到现实中的大田产量,每前行一步都有一个众所周知的“沟差”,受土地质量、气候条件等影响,每个沟差的产量差幅可达20%~40%。这使得当前我国水稻实验产量尽管亩产已超1000公斤的高水平,但实际水稻平均亩产仅约480公斤。

随着水稻实验产能的高度释放,傅向东希望,能够通过减肥增效这条路,减少农民投入,降低环境污染。

稻田里的傅向东在观察作物表征。受访者供图

一个关于未来的故事

今年1月,傅向东获得了“新基石研究员项目”资助。获奖名单公布后,一位评委给他发邮件祝贺,称他在答辩中讲了一个“打动人心的故事”。

此次采访中,傅向东再次提及:到本世纪60年代,届时作物生长环境与百年前“绿色革命”时期将完全不同,随着全球气候变暖与二氧化碳浓度增高,植物的光合作用无疑会增强。但植物根系对矿物元素的吸收能力却会下降,特别是对氮肥吸收能力会大幅下降,可达28%。这意味着,未来环境对碳氮利用效率将会提出新挑战。例如,如何把更多的二氧化碳变成光合作用的原料?如何在环境变化中调控植物的碳-氮吸收平衡?

这些挑战性的问题,也是未来5年傅向东希望回答的问题。

对傅向东和他的团队来说,这是压力,也是动力。

他们已经找到了一些线索,比如碳-氮协同正调控基因GRF4及其互作网络。下一步,他们希望将植物生长发育、氮素代谢和光合作用作为统一整体,探寻研究氮肥利用效率的新思路和新方法,助力实现“可持续型绿色革命”。

傅向东和团队。受访者供图

 
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