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他揭秘中国的“国宝级”小麦基因,有望使其亩产突破1000公斤
爬上海岸的鱼 2017-08-18
导语

“这就是小付,他克隆了国宝基因,这是我们这一辈人的希望,我们一辈子人的梦想。我希望你们很好地利用好国宝基因,创造出更高的价值。”

编者按:本文来源“CC讲坛”,e科网经授权转载。

小麦已经被驯化了一万年,成为人类三大主粮作物之一。袁隆平的超级杂交水稻亩产已经超过1000公斤。小麦和水稻一样,都是雌雄同花的作物,而前者只能使用常规杂交实现亩产800公斤。是什么限制着小麦杂交种的生产和应用呢? 

其中一个原因是缺乏有效的雄性不育基因,而这个不育基因就是30多年前被命名的国宝级小麦基因——MS2。但是这个基因在哪里?长什么样?这一直困扰着中国几代科学工作者。

付道林,在鲁西南的一个小乡村长大,从小幻想吃上白面馒头,深刻体会到粮食的重要性。他一路考上农业大学,继而攻读硕士博士,出国留学归来,回到小麦生产基地潜心研究,国宝基因的奥秘终于呈现在我们的面前……

图:国家百千万人才工程人选,山东省“泰山学者”特聘教授付道林

神奇的国宝级小麦基因


1、童年的乐与苦

我本人是一个农民子弟,1971年出生在鲁西南的一个小乡村。我有一个非常快乐的童年,但是大家想一想,在上世纪70年代初,当时我们的生活水平还不是很高,所以当时我们除了到田间劳动之外,我们还经常想我们能不能吃得饱、吃得好,我们能不能吃到真正的白面馒头。

就是在农村的那段时间,我真正认识到农民的疾苦,认识到丰收的含义,认识到粮食的重要。就在这种不自然之间增加了我对大地的爱,对粮食生产的这样一个情感。

正是怀着这份情感,在1990年我被山东农业大学农学院录取。在收到录取通知书的那一天,我非常激动。大家看到的这是我在初中、大学以及硕士研究生阶段几个历史镜头。

2、留学美国

2000年的8月8日,我踏上了飞向美国的飞机,从2000到2008年我是在国外学习和工作。在我的心目中,八年是一种精神,它意味着执着、奋斗以及进取。

从2000到2003年,我是在美国堪萨斯州立大学读我的博士学位,当时我从事的研究是草坪草的转基因研究。大家可以看到这个是叫匍匐剪股颖的一种草坪草,主要是用于高尔夫球场里面的这个最平整最细的那片草坪。

大家想一想草坪草和小麦之间关系非常远,但是草坪草的研究为我后期小麦的研究奠定了良好的基础。所以在后期的教学过程中,我经常教育我的学生要严肃认真地对待你人生的每一个阶段,做到你人生能力范围内的最好表现。

3、选择研究草还是研究小麦

在完成我的博士学位之后我开始要工作了,这时候面临两个选择,当然我还是在美国。一个就是,是否要到美国环保局旗下的一个研究所继续我的草坪草研究,因为这个领域非常熟悉,这个工作待遇也非常优厚。

另外一个工作,就是我可以选择到美国加州大学戴维斯分校从事小麦的研究,小麦我还没有从来没有做过,对我来说是一个挑战。但是想到我童年时代想吃到白面馒头的这样一个幻想,想到我们山东是小麦的主产区,我当时坚毅地选择了小麦的研究。

从2004年到2008年,在美国加州大学戴维斯分校从事我的博士后研究。当时我的老师是国际小麦知名专家Jorge Dubcovsky 教授,在戴维斯分校我工作了将近五年的时间,我以第一作者的身份在《自然》杂志发表了小麦抗条锈病基因的克隆。 

在国外的八年,我见证了我们神五上天,也感受到了汶川大地震的灾难。在国外的八年,我真正见证了我们中华人民备受尊重的这样一个时代的变迁。所有这一切都坚定了我回国工作的这样一个信念。

4、北京or地方?科研院所or高等院校

面临回国,有两种不同的选择。一个是工作地点,一个是研究方向。我可以留在我们北京,我可以到地方;我可以到这个科研院所,也可以到这个高等院校。

当时山东农业大学的赵延兵老师正好到美国出差,他专门飞到美国加州来劝说我回到母校工作,当时我倍受感动。说到这里我想到另外一件事情,不知道大家认识不认识我国小麦(远缘)杂交之父李振声先生?李先生是我爱人的老师,我有机会就回山东农业大学工作这个事情咨询李先生的意见。

李先生当时语重心长地说:“付道林同志,我在祖国大西北陕西杨凌一待就是31年,这31年对我以后的成果与突破奠定了良好的基础。如果你有时间、有条件回到山东农业大学工作,回到更需要你的地方踏心实地的开展工作,你一定能做出更大的成绩!”所以李先生的话深深地感动了我,更加坚定了我回到山东农业大学工作的这样一个信念。

回到山东农业大学工作另外一个原因就是,山东省是我的故乡,山东省是小麦生产的一个重要的生产基地。所以我愿意到这样一个大的战场去发挥我的作用。

因为我在美国是从事抗病研究的,我知道这项研究非常重要,我可以继续。但是我知道中国的现状,中国这一块我们需要粮食,我们人口众多。在中国现在有18亿亩耕地,占世界耕地的7%左右。但是人口超过了13亿,占世界人口的21%左右。如何利用有限的耕地养活世界上近1/5的人口,是一个很大的挑战,我们需要粮食。

5、小麦和玉米水稻不同在哪里

玉米是我国的第一大杂粮作物,它在中国占地面积是5.5亿亩。玉米长得非常特殊,它的雄性组织在顶部,雌性组织在中部,它是雄雌异花的植物,很容易通过人工的方式把它的雄性组织去掉,这样玉米的杂交发展就非常快。

到目前为止,我们中国已经实现了百分之百的玉米杂交种的应用和生产,玉米的单产纪录现在已经超过了1500公斤。

水稻是我国第一大主粮作物,也是叫口粮作物。它和玉米不同的是,它是雌雄同花,它的雌蕊和雄蕊非常近,很难通过人工的方式或机械的方式去除它的这个雄性部分,所以我们主要依靠这个雄性不育系的方式进行杂交水稻的生产。袁隆平在这个领域做出了巨大的贡献,他堪称中国的“杂交水稻之父”。

相比之下小麦是我国第二大主粮作物,它在中国的占地面积大约是3.6亿亩。小麦和水稻差不多,也是雌雄同花的一个植物。但是为什么小麦到目前为止我们还没有实现杂交种的生产和应用?

这是因为在小麦上,我们很难实现成千上万不同杂交组合的实验。另外一个是缺乏切实有效的一个雄性不育基因。再一个就是还没有高效的杂交体系,这是限制着小麦杂交种的生产的几大障碍。

小麦的常规杂交种经过过去几十年来的发展,目前也达到了亩产大约800公斤。但是杂交水稻的亩产记录现在已经超过了一千公斤。如果实现了杂交小麦,能不能和杂交水稻一样,也提高到一千公斤的亩产水平?这是我们需要思考的一个问题。

6、国宝基因有了名字

自上世纪70年代以来,我们国家有一个到田间寻找不育株的全国大协作群众运动。当时我们山西省太谷县的高忠丽农民技术员在田间发现了一株特殊的小麦,这个小麦的穗子蓬松,在阳光下看半是透明。它的雌蕊发育正常,而雄蕊几乎退化,明显的一个不育株。

在1979年中国农业科学院邓景阳博士把这个小麦定名为太谷核不育小麦。这个小麦只有我们中国有,所以成为我们国宝级小麦。太谷核不育小麦的雄性不育性状它是受一个显性核基因控制,在30年前大约是1981年的时候,然后定名为MS2。

但是在这个MS2冠名的背后,这个基因到底是什么,它长什么样我们一直都不知道。利用太谷核不育小麦我们国家育出了很多这个小麦品种,比如说到了2010年,我们国家通过这个育种体系获得了科技进步的一等奖。这显然说明这个太谷核不育小麦是非常重要,但是它背后的太谷核不育小麦基因是更为重要的一个东西。

7、准备揭秘国宝基因

大家知道在普通小麦里面大约有12万个基因,到底哪一个基因是我们的国宝基因,这就好比大海捞针。所以我们用了一个经典的方法叫图位克隆,然后利用五年的时间把这个基因定位在大约30kb的这样一个位置。

举个例子来说,我把小麦的全部基因组围绕赤道一圈,地球赤道一圈是4万公里,这样我们可以把基因定位在大约75米的距离。

听着非常容易,但是其实这个过程中我们遇到了很多的困难,比如说这个研究我们经历了六年。其实小麦上很多研究要经历十年、二十年,但是我们的研究生需要三年就要毕业,这时候你要平衡研究生毕业和项目持续性的关系,但每一次牵扯到人员变动对我们项目来说都像动一次大手术,大伤元气。

好在我们项目里面我们有倪飞博士同学,在这个上面坚持了六年,经过六年的研究最终拿到了基因。更为可喜的是,今年倪飞获得了“山东十佳大学生”的称号。

我们遇到的另外一个问题就是说,这种研究需要基因组文库。在当时2012年前后,大约需要100万人民币,而我的项目只能支付其中的25万。还有75万的缺口怎么办?我们需要做一个大胆的决定,要借钱做这项研究。

想想2012年前后对我来讲借75万人民币来做这项研究并不是那么容易。当时我们学校有几位老师像张宪省、董树亭等等教授对这个项目非常认可,然后从其他项目里面暂时借给我们75万元,所以才导致这个项目能够按计划进行。 

第三个观念就是说,当我们把基因定位在类似75米的这样一个距离里面,我们开始看它的序列,我们开始搜查所有的基因数据库,但是我们没有发现这里面有任何基因的影子,我们非常失望,我们不知道怎么办,难道是我们走错了?我们已经花了五年的时间,一旦我们走错了很可能我们要回到过去再走五年。

所以当时我们非常失落,在没有办法的时候,当时我们就大胆地想,我们只能采取这个死马当作活马医的这样一个想法,然后利用一些预测软件看一下这个区段的序列,有没有一些潜在的基因。

当时我们预测发现有六个基因存在,其中PG5这个基因非常有意思,只有这个基因在我们这个材料里面有表达,并且令人震惊的是这个基因只在太谷核不育小麦里面,并且只在太谷核不育小麦的花药中表达。这种表达模式对我们来讲,也许我们已经看到了我们一直追寻的这个国宝级基因。

所以当时我又开始睡不着觉了,我在思考如何赶快验证这个基因的身份,它到底是不是我们的国宝基因。我们采取了两个不同的验证方式,一个是突变分析,一个是转基因研究。

大家可以看这个图像,我们把太谷核不育小麦进行突变,突变掉之后发现所有PG5基因发生突变的材料变成了可育的一个表型,然后我们把这个基因转到可育的材料里面,所有转基因的个体都变成了这样一个不育的表型。所以结合以上所有证据我们可以确认,我们已经拿到了我们的国宝基因。

8、国宝基因神奇在哪里?

所以在今年的4月28号这项研究发表在国际知名杂志《自然•通讯》上面,在发表之后得到了很多媒体的关注,比如说《人民日报》《科技日报》。

其中《中国教育报》用神奇二字来描述这个故事,但是这个基因神奇在什么地方呢?

神奇之一,这个基因它是非常独特的一个基因,是在小麦和小麦的这个亲戚里面存在,而在水稻玉米中和其他一些主粮作物中都不存在,所以这是为什么当时我们在数据库里面没有发现这个基因的一个原因。

神奇之二,这个基因有特异的表达模式,它只在太谷核不育小麦特定的发育阶段的花药中表达。

我们为了验证这个基因蛋白产物,我们当时用到激光共聚焦显微镜,但是这个显微镜用的频率非常高,当时我带着我的学生从午夜时分到凌晨四点一直观察这些不同的样品。虽然非常辛苦,但是对科技项目、科技成果的这种好奇与期盼完全给我们提供了足够的动力。

神奇三,这个基因来自小麦,难道它只在小麦中发挥作用吗?所以我们通过转基因研究发现,它在大麦、短柄草等不同植物上都有作用。

这就说明这个基因的应用的这个潜力非常广泛,不但是小麦,可以用来创制很多不同物种的这个杂交制种体系。

神奇四,我们知道太谷核不育小麦在这个育种中发挥巨大作,一旦我们拿到这个基因,我们可以创制新的太谷核不育小麦,我们可以尝试新的这个不育体系。这种不育体系不但对我们中国小麦育种有利,而且在世界上也会发生重大的作用。

神奇五,最为重要的是一旦我们有了这个基因,我们可以实现小麦杂交种这样一个生产。在我们左边我们可以同时测试成千上万份不同杂交组合,从中挑到高优势的杂交组合进行规模化地生产,从而服务我们这个粮食安全。

9、申请专利,将国宝基因留在中国人手里

拿到基因不代表我们拥有基因,如何保护这个国宝级基因?所以说当时我们在2015年的5月验证了基因功能之后,我们就想一定要拿到这个基因的专利。

在2015年的6月4号,我们递交了这个专利的申请。想到递交专利那一天,我已经三周没有好好休息,当时身体出现了一点状况,但是检查又检查不出什么毛病,就这样坚持大半年的时间然后慢慢开始恢复。

身体是我们革命的本钱,但是一旦忙起来,我们也在消耗自己的本钱。在此我想告诫在座的各位一定要关注身体、关爱自己,有一个健康的体魄你才有能力有机会为我们国家做出更好的贡献。

10、四代人的梦想

拿到了基因非常重要,下一步工作怎么办?怎么能做得更好?前段时间我和我的学生倪飞专门拜访了指引我们成长的孙兰珍老师。

孙兰珍老师见到我们非常高兴,他对他的爱人讲 :“这就是小付,他克隆了国宝基因,这是我们这一辈人的希望,我们一辈子人的梦想。我希望你们很好地利用好国宝基因,创造出更高的价值。

当我听到这句话时,我突然想起我平时对我学生经常讲的一句话:无论将来你们走向任何岗位做任何工作,一定成为一个价值的创造者,不要成为金钱的搬运工。

听着孙老师的话,我们知道将来的研究方向,我们要建立国宝基因的杂交小麦的高效的不育体系。

也许在将来,经过十年二十年,这个小朋友其实她是倪飞的女儿,这个小朋友能够吃上不仅是白面馒头,而且是杂交小麦做的白面馒头。

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  • 小麦基因
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作者 爬上海岸的鱼

高级软件工程师

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活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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