一群90后00后解鎖“超級(jí)玉米”關(guān)鍵基因:個(gè)個(gè)是“學(xué)霸” 人人能下地
在中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(以下簡(jiǎn)稱分子植物卓越中心),有一支由10多名90后、00后組成的“最黑”團(tuán)隊(duì)。他們的皮膚顏色,普遍比其他研究方向的科研人員要深上2至3個(gè)色度。團(tuán)隊(duì)成員們往白墻前一站,清一色的小麥膚色。
“我們一年要在太陽(yáng)下曬3季,上海大棚中的工作溫度在40℃以上?!狈肿又参镒吭街行难芯繂T巫永睿說。他帶領(lǐng)的這支團(tuán)隊(duì)日前與上海師范大學(xué)王文琴團(tuán)隊(duì)合作在《自然》雜志上發(fā)表研究論文,他們從野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質(zhì)形成和氮素高效利用的關(guān)鍵變異基因THP9,有望將玉米的蛋白含量從8%最終提高至20%,直接減少飼料中進(jìn)口大豆的使用,提高飼料質(zhì)量。
高蛋白玉米就像是一種“超級(jí)玉米”。該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)中期產(chǎn)出的蛋白含量約為14%的玉米被用于山東某養(yǎng)雞場(chǎng)后,每只雞的飼養(yǎng)成本能節(jié)約3角。而在我國(guó),每年出籠的肉雞有約122億只。該成果帶來的價(jià)值可見一斑。
玉米蛋白每提高1%,能省下近800萬噸大豆
玉米,是全球三大主要糧食之一,也是世界上最高產(chǎn)的農(nóng)作物之一,全球年產(chǎn)12億噸,中國(guó)年產(chǎn)2.7億噸。而全球約70%的玉米都被用作飼料,玉米產(chǎn)量高、有效能量多,是最常用且用量最大的一種飼料,故有“飼料之王”的美稱。
隨著人們生活質(zhì)量的提高,對(duì)肉蛋奶的需求不斷增加,玉米的消費(fèi)量也日益增加,這使得近年來我國(guó)玉米進(jìn)口量不斷提升?!拔覀儑?guó)家有18億畝耕地,其中大約6億畝已經(jīng)種了玉米。我們認(rèn)為,玉米的耕種面積不太可能有再大的增長(zhǎng)空間了。”巫永睿說。
他告訴記者,由于玉米籽粒蛋白含量較低,大部分雜交種籽粒蛋白含量不到8%,因此飼料中需要補(bǔ)充大豆蛋白。我國(guó)是全球最大的大豆進(jìn)口國(guó),大豆行情的一丁點(diǎn)變化都可能產(chǎn)生較大影響。這成為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的突出問題。
根據(jù)巫永睿團(tuán)隊(duì)的研究統(tǒng)計(jì),如果普通玉米蛋白含量能提高一個(gè)百分點(diǎn),那么我國(guó)就可以少進(jìn)口近800萬噸大豆。提高玉米蛋白含量,成為解決這一問題的關(guān)鍵。
學(xué)界一個(gè)較為普遍的共識(shí)是,可以通過克隆玉米的祖先、起源于墨西哥南部的大芻草的優(yōu)質(zhì)高蛋白基因,來改變當(dāng)前玉米營(yíng)養(yǎng)不太夠的狀況。大芻草外殼堅(jiān)硬、無法食用,但它在野生生長(zhǎng)、不施加氮肥的情況下,卻能達(dá)到30%的高蛋白含量。
近百年來,這種野生玉米高蛋白形成的機(jī)理問題長(zhǎng)期懸而未決,控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關(guān)鍵基因一直沒找到。
2012年,已在海外從事6年玉米研究的巫永睿,回到分子植物卓越中心面試,他告訴自己的博士生導(dǎo)師即分子植物卓越中心主任韓斌,自己要做玉米高蛋白基因的研究,費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本高,還不一定能出成果。
“我們的中心就叫卓越創(chuàng)新,沒有大量的失敗,哪能做得出卓越的創(chuàng)新成果?”巫永睿說,自己在這里得到了一個(gè)專心做研究的好平臺(tái)。
入學(xué)有“三問”,背著50斤玉米在地鐵里穿梭
從2013年開始,巫永睿開始招收研究生,組建一支研究團(tuán)隊(duì),專門進(jìn)行玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測(cè)定、遺傳分析以及群體構(gòu)建。
每一個(gè)新入學(xué)的學(xué)生,都會(huì)被巫永睿問3個(gè)問題——花粉過不過敏?下地干活行不行?成為卓越研究型人才的決心有沒有?
巫永睿告訴記者,做玉米研究的人,除了要能在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)玉米蛋白含量進(jìn)行測(cè)定、做“高大上”的遺傳分析工作、懂計(jì)算機(jī)技術(shù)、有生物信息學(xué)基礎(chǔ)外,還要會(huì)“種玉米”。
這個(gè)“種”,與普通農(nóng)民的“種玉米”完全不同。為了確保每一茬玉米材料的純正性,團(tuán)隊(duì)成員們要自己播種、打藥、收集玉米的花粉進(jìn)行人工授粉,收獲后還要對(duì)玉米材料進(jìn)行蛋白和基因型分析。
“我們都是在用空間換時(shí)間。”論文的第一作者、巫永睿的博士后研究生黃永財(cái)從2015年加入團(tuán)隊(duì)至今,已經(jīng)成為這個(gè)團(tuán)隊(duì)的“種地大哥”,每來一撥兒新人,他和巫永睿都會(huì)帶著年輕人上“下田第一課”——授粉。
為了能更多地收獲不同基因特征的玉米,他們每年會(huì)在上海種2季玉米、海南種1季玉米。每次收獲季,他們都是在室外超過30℃、棚內(nèi)超過40℃氣溫下進(jìn)行作業(yè)的。
每研究出一代玉米,它的種植時(shí)間約為4個(gè)月,一畝地產(chǎn)出約2000株玉米,研究樣本總共需要約2萬株。拿到玉米樣株后,年輕人還要從里頭挑出最純正、品相最好的運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,對(duì)它進(jìn)行“切片化驗(yàn)”。從2013年至今,該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)種出了10代攜帶不同高蛋白基因的玉米。
黃永財(cái)喜歡把玉米樣本稱為“材料”,它與普通玉米不同,授粉非常嚴(yán)格:需要先把玉米花粉收集到一個(gè)紙袋子里,再快速把它倒在玉米花絲(玉米須)上,以確保材料的純正性,“這一步特別關(guān)鍵,中間不能出半點(diǎn)岔子,其他花粉如果飄到花絲上面,這個(gè)材料就廢了,后續(xù)所有研究都會(huì)出錯(cuò)?!?/p>
就連運(yùn)送玉米,年輕人們都是親力親為。11月中下旬,團(tuán)隊(duì)成員、00后女生李瑜潔背著一袋約50斤重的玉米、沾著滿身的泥點(diǎn)子,從上海松江的農(nóng)田乘坐地鐵返回實(shí)驗(yàn)室,一路上引得眾多路人側(cè)目。
“是有點(diǎn)尷尬的,但我已經(jīng)習(xí)慣了?!崩铊嵳f。
“堅(jiān)持+創(chuàng)新策略”是年輕人的制勝法寶
李瑜潔是新加入團(tuán)隊(duì)的研究生,這個(gè)來自云南的女孩高高瘦瘦的,皮膚比剛來讀研時(shí)黑了不少,“我們下田時(shí)全副武裝,穿著長(zhǎng)袖長(zhǎng)褲,戴一頂很大很大的帽子。然而,并沒什么用?!?/p>
她告訴記者,大家至少要在大棚里待一兩個(gè)小時(shí),進(jìn)棚不到10分鐘就熱得不行,把裝備脫了也沒太大用。最終,巫永睿團(tuán)隊(duì)成為分子植物卓越中心當(dāng)之無愧的“最黑”團(tuán)隊(duì)。
巫永睿說,團(tuán)隊(duì)里的每一個(gè)成員,都特別能堅(jiān)持、特別能吃苦。高蛋白玉米的研究成果發(fā)布后,很多媒體用“十年磨一劍”來形容巫永睿團(tuán)隊(duì),這其中最主要的就是一個(gè)“磨”字,“個(gè)個(gè)都是學(xué)霸,個(gè)個(gè)都能下地干活兒?!?/p>
其中,最能磨的當(dāng)屬論文第一作者黃永財(cái)。他從“拜師”開始,就靠“磨”。2015年,黃永財(cái)為了加入巫永?!伴T下”,幾乎天天來找導(dǎo)師磨。
“我當(dāng)時(shí)收了一個(gè)碩博連讀的學(xué)生,當(dāng)年的名額沒有了?!蔽子李Uf,自己回絕了黃永財(cái)好幾次,但這個(gè)學(xué)生還是每天堅(jiān)持來找導(dǎo)師“談理想”。
“我就是想做玉米研究,我特別看好這個(gè)方向。哪怕10年20年后結(jié)果出來,發(fā)現(xiàn)這個(gè)想法不可行,我也能接受?!秉S永財(cái)告訴記者,當(dāng)時(shí)三大主要糧食作物領(lǐng)域,水稻的研究已經(jīng)相當(dāng)充分,小麥的研究尚在起步階段,而玉米的研究正處在攻堅(jiān)階段。國(guó)外已經(jīng)有不少實(shí)驗(yàn)室開始嘗試做高蛋白玉米的全基因序列,“學(xué)界定位到了玉米高蛋白表達(dá)的一個(gè)區(qū)間,但是誰都沒法精準(zhǔn)找到,到底是哪個(gè)基因位點(diǎn)在發(fā)揮作用?!?/p>
巫永睿團(tuán)隊(duì)的厲害之處在于,他們既有像黃永財(cái)這樣對(duì)材料純正性“苛求”的年輕人,能提供最好的、可供深度分析的玉米,又有像副研究員王海海這樣的遺傳學(xué)專家和像王文琴這樣的生物信息學(xué)專家,“多學(xué)科聯(lián)手,我們就能從看上去亂糟糟的基因序列里,找到那個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位?!?/p>
這個(gè)過程中,研究團(tuán)隊(duì)提取了超過4萬個(gè)樣本的DNA,進(jìn)行基因型鑒定,測(cè)定了超過2萬個(gè)樣本的蛋白含量,進(jìn)行表型分析,并分別進(jìn)行了3次大規(guī)模高蛋白遺傳群體的測(cè)序以及精細(xì)的圖位克隆,最終從野生玉米中克隆到首個(gè)控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。
野生玉米優(yōu)良基因?qū)牒?,使玉米種子蛋白質(zhì)含量增加約35%,根中氮含量增加約54%,莖中氮含量增加約94%,葉片中氮含量增加約18%,生物量即植株整體重量也大大增加。
研究團(tuán)隊(duì)還在三亞南繁基地進(jìn)行了大規(guī)模田間試驗(yàn),將野生玉米高蛋白基因雜交導(dǎo)入我國(guó)推廣面積最大的玉米生產(chǎn)栽培品種鄭單958中,可以顯著提高雜交種籽粒蛋白含量,表明該基因在培育高蛋白玉米中具有重要的應(yīng)用潛能。
《自然》雜志審稿專家這樣點(diǎn)評(píng)這項(xiàng)了不起的工作:“作者從玉米的野生親緣大芻草中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有望提高玉米蛋白質(zhì)含量和氮利用效率的靶點(diǎn)。這項(xiàng)工作展示了利用作物的野生親緣來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的巨大潛力。這代表了一項(xiàng)令人印象深刻的工作,它強(qiáng)調(diào)了將野生祖先的遺傳變異引入優(yōu)質(zhì)作物的潛力,以促進(jìn)更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和未來的糧食安全?!?/p>
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷 視頻 周冠伶 來源:中國(guó)青年報(bào)
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