万建民院士团队:没有终点的问鼎之路

发稿时间:2023年07月27日来源:博鱼体育官方网站 - 官方作者:许天颖

7月26日,由中国工程院院士万建民领衔、博鱼体育官方网站 - 官方和中国农业科学院作物科学研究所的科研团队联合攻关,首次从分子层面阐明了籼稻和粳稻杂种不育分子机理、破解了水稻生殖隔离之谜,该成果在国际权威学术期刊《细胞(Cell)》期刊在线发表。

至此,继2013年的《自然》成果、2018年的《科学》成果,万建民院士团队在水稻分子遗传与育种领域接连取得重大科研突破,捧得了“CNS大满贯”。

“我从1991年开始研究‘水稻杂种优势利用’难题,这后来也变成了团队延续了30年的科研梦想。”在万建民看来,满贯是团队的“里程碑”,但绝不是“完结篇”。

细数CNS三个成果,每一项都是“十年一剑”,并且无一例外地由年轻科研人员勇挑重担、多家单位联合攻关。

满贯在手,团队成员在欢欣鼓舞之余,展现出的却是“大事前有静气”的平和谦逊,是哪些特质造就了这样的学术氛围,又有哪些秘笈让这支队伍一次又一次地站在了领域内的科研之巅?每一次磨剑的10年之间,就没有过犹豫和动摇吗?

“没想过会失败,只想过如何穿行黑暗。”Cell成果第一作者、博鱼体育官方网站 - 官方农学院博士后王超龙说。

5年弯路,不怕从头再来

2023年,距离王超龙“咬”定这一难题已过去了整整8年,这还不包括故事一开头、在错误方向里摸爬滚打的5年。

2010年,在周围大部分同学都在为升学毕业而忙碌的大四,王超龙开始硕博连读,将志向锁定三农、师从万建民院士,一头扎入了水稻领域的世界难题“杂种不育”的机制探究。因为来自强化班,王超龙被寄予厚望,但老天一开始却并未眷顾这个努力的年轻人。

2015年,在经历了一次又一次的基因功能验证无效后,王超龙发现是基因的定位区间错了,往前推,5年前他接手的试验材料关键单株就不准确, 相当于马不停蹄跑了5年,却发现步子迈开的第一步,方向就错了,这对于沉醉其中、满怀期待的王超龙而言,是个不小的打击。

走错一步就是5年,后面的路该何去何从?

“有曲折才证明有挑战,我们要做的,就是有挑战性的、有意义的课题!”导师万建民的一番话彷佛黑暗中投射的一道光,照进了王超龙的心里,万建民鼓励王超龙把这块骨头“啃”下去。

2016年,王超龙开始攻读博士后,他决定从头开始、重新构建试验材料,杂交一代、回交四代,要做5次实验,为了最大限度地提高效率,王超龙开始了在南京和三亚南繁基地的来回奔走,埋头试验、无问东西。

2019年,得到严谨实验数据的他再一次吃惊地发现,遗传机制和研究假设“对不上”!敲除“解毒基因”后竟然得不到纯合单株,难道是,引起籼稻和粳稻杂种花粉不育的解毒基因找错了?此时的王超龙无法确定,是老天再一次和自己开起了玩笑,还是研究正在步步逼近答案?

联合攻关,“太行”“王屋”只等闲

实验数据的论证必须足够精准可靠,万建民的方法是,让自己带领的博鱼体育官方网站 - 官方和中国农业科学院作物科学研究所的两支科研团队分头推进、互不干扰,得出结论后再相互比对。

“验证数据的那2年,我和农科院作科所的王建博士后通5、6个小时的电话,讨论到凌晨两三点是常有的事。” 王超龙说。

经过2年时间,两位年轻科研人员进行充分的数据比对和讨论后,大胆提出了假设——并不是原先基因找错了,而可能是发现了一项新的遗传机制,也就是原先认为的存在于花粉中的“破坏-守卫”机制,即“破坏者”对所有花粉产生伤害作用,引起花粉的败育,而“守卫者”阻止“破坏者”的伤害作用,因此那些遗传了该基因的花粉,就能受到保护,从而正常发育,这样的机制同样存在于植株体细胞之中。

为了论证这一假设,团队请来了拥有二三十年出色实验经验的农科院研究员吴传银,他是组培转化实验的资深专家,为了确保每一论证步骤的精准,从实验设计到载体构建,再到转化和统计分析,吴传银都自己动手、没有丝毫马虎。

2021年的夏天,吴传银兴奋地拨通了王超龙的电话,“你来一趟北京,到实验室见证!”

当王超龙看到用于验证的“GFP绿色荧光蛋白”的失色与变亮,与之前的假设完全一致时,他喊出了声,“找到了!”

紧密连锁的两个基因被找到、“基因驱动”遗传机制被破解,杂种不育难题得到了全基因组层面的分析鉴定!

这对于很多领域内的团队而言已经是一项很大的突破了,但热爱挑战、善“啃”硬骨头的万建民团队同步还在推进分子机制的研究:主角找到了,可“攻守”机制又是如何发挥作用的呢?

“不要单打独斗,要善于合作攻关。”这是万建民对学生最常说的话之一,也是他作为leader,一直在为团队创造的。

在清华大学柴继杰教授、香港中文大学姜里文教授等资深专家的帮助下,王超龙与农科院熊叶辉研究员频繁交流、逐层深入,从蛋白水平上解析了“破坏者”是通过与细胞中能量工厂线粒体的一个核心功能蛋白互作,干扰线粒体的产能功能,花粉因缺能而最终败育;而“守卫者”能与“破坏者”直接互作,阻止其进入产能工厂,从而解除破坏作用,这一理论上的重大突破首次从分子层面阐明了水稻杂种不育的机理。

横亘在“杂种不育”难题中的“遗传机制”与“分子机制”,犹如 “太行”“王屋”两座大山,在博鱼体育官方网站 - 官方水稻遗传育种创新团队、中国农业科学院作物科学研究所长达13年的联合攻关,多位科研人员堪比愚公的执着与齐心努力下,被移除了。

(左一:团队Nature成果第一作者、中国科学院分子植物科学卓越创新中心PI周峰研究员,左二、左四:Science成果第一作者、农学院教授赵志刚、余晓文,左三:Cell成果第一作者、农学院博士后王超龙)

顶天立地,为粮丰民安

“能够深入到基因功能水平,完成所有的基因编辑工作,并深入到该系统的细胞生物学层面,甚至到其在水稻的进化,这确实是一项令人震惊和了不起的成就。”《细胞》杂志送审专家对成果这样评价。

中国科学院院士种康表示,“从文章的角度来讲,从遗传到细胞生物学、到分子生物学,这一套做全了,这个机制从三个层面上做得非常清楚了,在此基础上,团队继续深入,搞清楚了这个模块的来龙去脉,即它的祖先是什么。”

紧扣国家需求、紧跟生产实际、挑战重大科学问题,这是万建民对学生一以贯之的要求,也是团队30年来书写“粮丰民安”科研故事的核心。

与籼稻亚种内杂交相比,籼稻和粳稻亚种间杂交水稻可将水稻单产提高15%以上,然而,同时会出现花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满等杂种不育现象。“结实率80%是前提,如果达不到这个标准,就没法实现增产。”万建民说。

30年来,团队已发现、定位和命名了27个不育基因和广亲和基因,占国内外报道的一半以上。咬住“籼粳交”杂种优势有效利用难题不放,育性、株高株型、生育期,在这项被万建民视作的系统工程里,一个个关键基因被挖掘定位、一道道难啃的关口被解析破译。

30年来,只要条件允许,万建民都会在周末回到博鱼体育官方网站 - 官方,“周五最晚航班回宁,周日最晚航班回京,这样的节奏一周都没有打破,我的日程表中,没有‘周末’这一说。”

清晰的科研规划、加上雷打不动的身体力行,团队成员一个个地也炼就了数十年如一日的坚守与恒心。水稻育种本身就是一项周期漫长的工程,将分子育种与常规育种相结合,能加速培育速度,但发掘优异基因,平均需要搜集上万份资源,耗费的人力、物力和时长,可想而知——团队发掘的水稻半不育基因PSS1花了18年;《自然》成果、水稻部分显性矮杆多分蘖基因D53用去了25年,《科学》成果、水稻“自私基因”的挖掘用了9年,这一次的《细胞》成果又长跑了13年!

一次又一次科研暗夜的挫败、迷航与焦灼中,是团队协作、是联合攻关,是脚踩大地、咬定青山的氛围,给予了年轻人坚持下来的信心与韧劲。

每年5-6月,在南京江宁土桥基地,100多位团队师生齐上阵,播种、拔秧、排秧、插秧,场面壮观。只要时间允许,万建民都会一同参与其中,用行动告诉学生,“做水稻,一定要到田间去,一定要能紧跟生产实际。”

除了高水平研究成果迭出,30年来,团队围绕水稻的抗性、品质、氮高效利用、耐盐碱水稻品种挖掘等面向生产实际的课题也从未间断,真正打通了基础研究与应用研究,串联起水稻育种的上、中、下游。

“将个人理想融入国家和人民需要,将研究工作聚焦国家重大战略需求,追求真理、不畏艰难、勇于创新,集智攻关、团结协作、共攀高峰。正是基于此,万院士团队才实现了一个又一个的突破。”博鱼体育官方网站 - 官方校长陈发棣表示,学校将以此次重大成果发布为契机,自觉履行高水平科技自立自强的使命担当,精准对接国家重大战略需求,夯实创新平台体系建设,开展有组织科研。同时通过灵活延长考核周期,依托大团队、大项目推动学科间的交叉融合,努力营造既鼓励创新、又相对宽松的良好氛围,让越来越多的年轻人沉下心、埋下头、有底气,勇于向科研高峰发起挑战。


编辑:许天颖

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