北京，中國農業(yè)大學校內的國家玉米改良中心整飭一新，幾代學者矢志玉米研究，力圖通過玉米種業(yè)改良以臻糧食安全。
千里之外的武漢，華中農業(yè)大學牽頭建設的湖北洪山實驗室正以生物種業(yè)科技創(chuàng)新為核心，致力于提供對人類和地球都健康的食品。
近日，《科學》雜志在線發(fā)表了中國農業(yè)大學李建生、楊小紅團隊和華中農業(yè)大學嚴建兵團隊的聯(lián)合科研成果，一個在玉米和水稻中都具有的關鍵基因被發(fā)現(xiàn)。這是一項關于玉米和水稻“趨同選擇”研究的重大成果，為作物馴化的機理解析和未來作物育種奠定了理論基礎。
發(fā)掘“寶藏”：殊途同歸 提量增產
經過漫長的歲月，玉米、水稻和小麥成為三大主要農作物，為全球人類提供了50%以上的能量攝入。這些作物在長期的改良與選擇過程中，是否遵循了共同的遺傳規(guī)律？這一疑問引領著兩地兩校的聯(lián)合研究團隊，從基因和基因組兩個層面進行系統(tǒng)研究。
科研人員從野生玉米資源里新發(fā)現(xiàn)了一個基因，將其命名為KRN2。通過對這一基因的編輯，可以調控玉米穗行數(shù)，從而將玉米的產量提高10%。同時，這一基因在水稻的基因組里也同樣存在，通過基因編輯，它能使水稻的產量增加8%，并且對其他農藝性狀沒有明顯的負面影響，展現(xiàn)了巨大的應用潛力。
“這個基因以前從來沒有被發(fā)現(xiàn)過，而且它在玉米和水稻中都有。”華中農大作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室教授嚴建兵介紹，“基因編輯就好比用一把小剪刀把這個基因‘剪’一下，以提高產量。”
為全面挖掘更多玉米和水稻中的趨同選擇基因，團隊成員進一步在全基因組水平上對玉米和水稻進行大數(shù)據(jù)選擇分析，檢測到490對經歷了趨同選擇的同源基因對。嚴建兵說，此次發(fā)現(xiàn)的KRN2，只是其中一個影響產量的基因，其他受趨同選擇的基因中，還蘊藏著很多可用于玉米和水稻遺傳改良的“寶藏”，這在宏觀上或者在整個基因組水平上，對作物遺傳改良指明了新方向。
科研攻關：定時“遷移” 協(xié)同科研
2004年的夏天，李建生教授帶領當時尚為講師的嚴建兵、博士生楊小紅以及眾多學生在國家玉米改良中心門口留下了一張合影，師生笑靨如春。
同年，海南玉米繁育基地的玉米長勢正好。李建生親自動手組配玉米自交系Mo17與玉米野生種大芻草的雜交種。他總是一大早就到地頭觀測他心愛的玉米，一干就是一整天，三亞的日頭將他的皮膚曬得黝黑。
每天早上8點開始，李建生就會把手機關機，一直在田間地頭忙活，做育種工作，再采樣回去做數(shù)據(jù)分析。“做這個工作就是要耐得住寂寞，不能有外界干擾，那樣干活效率太低，我只要在地頭誰也聯(lián)系不到我。”李建生說。
李建生幾乎每年都會到海南兩次，有時一待就是半年，南繁基地已成為他另一個家。他穿梭于兩地，帶領一位位研究生不斷摸索尋找最合適的組配親本，歷經數(shù)年最終創(chuàng)制了穩(wěn)定的分離群體，定位了幾個關鍵位點，為團隊后續(xù)開展玉米重要產量性狀形成的遺傳基礎和馴化機理奠定了材料基礎。
每到南繁基地種管收重要時間節(jié)點，和李建生一樣，他的學生們都成了“候鳥”，定時“遷移”。
隨著研究的深入，2021年聯(lián)合團隊利用組學大數(shù)據(jù)，在全基因組水平描繪了玉米和水稻趨同選擇的整體圖景，逐漸揭示了物種選擇殊途同歸的“奧妙”，并把發(fā)現(xiàn)推向國際學界舞臺。
據(jù)了解，他們的合作成果遠不止發(fā)表在《科學》上的這一篇。近年來，兩地兩團隊圍繞玉米復雜性狀的遺傳解析這一重大主題發(fā)表了近百篇合作研究成果，2016年李建生、楊小紅、嚴建兵師生三人共同獲得國家科學技術發(fā)明二等獎。
堅守初心：把科研成果應用到大地上
“每天天不亮開始取樣，平均每天400株左右，8個小時處理完……”團隊成員張璇回憶起那段歲月很感慨，為保證樣品的完整性和準確性，團隊成員更是全體出動，協(xié)力完成采樣和電鏡拍攝任務。在張璇看來，團隊從主要擅長的玉米基因組學到學習全新的基因功能解析和雌穗發(fā)育，他們經歷了一次次“蛻變”。
“科研就是一顆酸檸檬。”文章共同第一作者、剛從嚴建兵課題組畢業(yè)去中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所從事博士后研究的陳露回憶道，“群體分析往往會被不斷修正和顛覆，有時幾個月的心血會被瞬間推翻。我們要學會把酸檸檬做成一杯好喝的檸檬水，推翻了，其實也就離成功不遠了……”
“從充滿不確定性的未知，到探尋已知的過程滿是樂趣。”嚴建兵認為，科研也是最好的生活方式，他的人生目標絕不是為了發(fā)幾篇文章，“我希望能把學習的知識應用到大地上。”
下一步，聯(lián)合研究團隊將依托湖北洪山實驗室，組建玉米基因組、育種基因設計、分組育種等創(chuàng)新團隊，打通從基礎研究到標記基因的開發(fā)，以及品種選育、產業(yè)推廣運用全產業(yè)鏈。
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