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中国水稻研究缘何引领世界?

发布日期:2017年08月01日   文章来源:新浪网   作者:

  2002年4月5日,《科学》杂志以封面和14个页面的罕见体量,介绍了中国科学家完成的籼稻基因组测序工作。回头看,这一杰出工作不仅在当时赢得了广泛赞誉,同时也释放了一个不可忽视的信号:在水稻研究领域,一股强劲的新兴力量正迅速崛起。

  如今,业内人士已不怀疑这样的论断:中国的水稻研究已经引领世界。甚至在整个植物生物学领域,中国科学家的研究也处在了前沿位置。今年2月,《自然·植物》还发表了一篇社论,将这样的表现称之为“中国的复兴”。

  “在重要的农艺性状研究方面,在主要的基因克隆与功能研究方面,无论是规模上,深入程度上,或者发表论文的档次上,中国科学家都已走在前列。重要基因及其机理研究,不论是在产量、品质方面,还是在抗病虫、抗环境胁迫方面,现在基本上最主要的工作都是以中国科学家为主。” 植物分子遗传学家李家洋说。他做水稻研究20年,见证了中国水稻研究的蜕变。

  从跟跑,并跑,直至领跑,中国的水稻研究如何走向卓越?

  1

  中国人吃的主粮

  1994年,李家洋从美国康乃尔大学汤普逊植物研究所回到了中科院遗传所(该所后与中科院发育所合并成为中科院遗传发育所)。回国后不久,他从拟南芥的研究转向了水稻研究。提起这一转变,他说,这是为了和当时国家的需求相契合。

  “用占世界7%的耕地能否养活22%的人口”,也就是粮食安全,是那时的中国需要首先面对的问题。

  水稻是亚洲许多国家的主粮。亚洲水稻的播种面积占世界的九成,而中国的水稻播种面积占世界第二。在中国人的口粮中,水稻也占到六成。

  “在美国,玉米、大豆、小麦是主要粮食作物,欧洲除了法国、西班牙、意大利等有一些水稻种植,其他国家几乎可以忽略。但在亚洲,水稻是很重要的粮食作物。”中科院遗传发育所研究员储成才说。他1999年从德国回国,和李家洋一样,从之前的模式植物研究转向了水稻。

  六年之后,从英国学成归国的傅向东也在前辈科学家的劝说下,做出同样的选择。这一切并非偶然——符合国家的需求是其中的一个重要因素:“引我回来的李家洋老师说,要做基础研究,如果做符合国家需求的基础研究不是更好么?”

  不过,虽然水稻研究是“国家需求”,但在2000年左右,中国的实验条件和科研资助都还捉襟见肘。

  那时的遗传所还在北京北郊的“917”楼,而不是今日位于奥林匹克公园繁华地段的新楼。“我回来那会,大楼楼道黑乎乎的,连灯都没有”, 储成才说,“科研人员那时候从国外回来,在包里都会装两包小的离心管,洗了重新用,枪头什么的,也是一样。” 而经费方面,储成才申请到的第一个国家自然科学基金,三年的一个项目,总支持额只有8万元。

  早几年回国的李家洋的情形也好不到哪里。“当时我的实验室也不怎么样,很小,就几个人,经费说起来都有点可怜,那时候科学院资助一些,最主要还是国家杰出青年基金,加上其它的,每年最多20、30万。” 他说。

  不过,正是在这样的条件下,李家洋将图位克隆技术(Map-based cloning)在水稻中成功建立起来。水稻基因克隆技术体系的建立,对于后续的水稻功能基因组研究的蓬勃发展起到了关键作用。

  图位克隆也称定位克隆,目标是在庞大的水稻基因中找到需要的基因。关键性的突破发生在2003年。这一年,李家洋领导的研究组分离鉴定出控制水稻分蘖的基因与控制茎秆强度的“脆秆”基因。这两篇文章不仅应用图位克隆技术将相关的基因克隆了出来,而且也是我国作物领域做功能基因研究的第一次。

  “这些工作的意义在于,在方法学上打开了前进的道路。这个方法建立之后,在随后几年里,中国在水稻功能基因方面的研究工作就突飞猛进,应该说(这些工作)起到了一个关键的引领作用”,李家洋说。

  除了图位克隆技术本身对整个水稻研究产生的巨大影响,在当时相对窘迫的科研环境下,这一成功在心理上也给其他的中国水稻研究者以很大的激励。“在那样简陋的条件下,我们能把基因克隆出来,让国内的其他实验室觉得也都可以做。现在,克隆一个基因简直就是很简单的一件事。”李家洋说。

  不过,对于基础研究来说,投入不足显然无法保证科研工作的持续进行,更遑论作出一流的成绩。好在,国家的重视,及时的投入扭转了这一切。

  对粮食安全的担忧以及水稻持续增产的压力促使中国在上世纪90年代末,抓住机遇,参与了“国际水稻基因组计划”。

  1998年2月启动,2002年12月结束,由日本主导,中、英、韩、美五国参与的“国际水稻基因组计划”,中国承担了第4号染色体的测序工作,贡献了10%的工作量。这一计划选取主要栽培粳稻品种“日本晴”为研究材料。按照协议,所有参与国家和地区均可共享数据以及相关的技术和成果。

  两年之后,中国主导,华大基因为主的“中国超级杂交水稻基因组”计划启动。2001年,后来居上的中国联合研究组完成了籼稻基因组工作框架图的绘制,并免费公布数据库。如前所述,这一工作获得了国内外的广泛赞誉。

  “这两项测序工作,正好一个是籼稻,一个是粳稻,使得图位克隆基因的方法如虎添翼。”李家洋说。

  随后中国启动的各项作物研究计划,包括1999年倡议的“水稻重要农艺性状功能基因组学研究”973计划,2002年启动的“功能基因组和生物芯片”重大项目(863计划)都为后续的水稻研究奠定了基础。

  当然,水稻能吸引大量的研究者,也与它自身的一些优势有关。在科研人员眼中,水稻不仅是非常重要的作物,而且也是非常理想的单子叶模式植物。水稻的基因组较小,在作物中第一个完成了测序,加之较容易转化(无论是用农杆菌侵染,还是最近的CRISPR基因编辑技术),一大批优秀的中青年科学家进入了这一领域。

  “我想水稻的成功和这一领域拥有非常强大的科学家群体是分不开的。”李家洋说,“像以袁隆平先生为代表的老一辈水稻育种家,到张启发和韩斌为代表的中青年优秀科学家,灿若群星,人数众多。特别是最近一、二十年回国的以及我国自己培养的水稻研究科学家,他们都有非常杰出的工作”。

  2

  与育种家的联姻

  初看起来,育种家负责培育新品种,水稻的基础研究者负责了解机理,这两者各有侧重。但实际上,要做“有用”且“有趣”的研究,二者不可能是“两张皮”。

  作为水稻原产地的中国,地域辽阔,环境各异,水稻自然资源十分丰富。农民在长期种植实践中,也在不断地人工选择适应当地环境的“农家种”。而职业的水稻育种人员几十年的选育工作,也创制了大量水稻突变体材料。仅从农科院系统来说,从中国农科院,到省级农科院,到市级农科院,甚至县农科院,整个的育种队伍十分庞大。

  中国职业化的育种工作不仅由来已久,而且也在近代绿色革命[注]中扮演了重要角色。1959年,广东省稻改进所工作的黄耀祥,育成了中国第一个矮秆籼稻品种“广场矮”。半矮秆抗倒伏品种的育成与随后的绿色革命紧密相关。此外,杂交稻的育成也被誉为绿色革命的重要突破。

  大量的水稻突变体材料无疑为水稻基础研究提供了便利。而以品种培育为目标的育种家通常也会自然而然地从生产角度提出需要解决的问题。“育种家的问题就是我们的课题。”在经历了十几年的水稻研究后,储成才这样总结道。

  在他的印象中,海南冬日里的水稻田是一个天然的大温室。而育种家就像是候鸟,每年的这个时候总会无一例外“迁徙”到这里。当然,他们可不是为了躲避北方的严寒来度假的。

  “北方的冬天已经不适合繁育水稻,如果不到南方再繁育一代,就必须等待来年的五月。” 储成才继续说,“既然都来,我们就趁机组织个会,大家一起探讨下如何把基础研究和应用研究结合起来。”省去了舟车劳顿,这样的“顺带”开会更是受到了大伙的欢迎。

  傅向东也是一样,与育种家的紧密合作贯穿在他的水稻基础研究中。先前做拟南芥的他回国后并不清楚如何以水稻为材料开展研究。这个时候,育种家和早期回国的科学家为他提供了所需要的材料以及问题的方向。

  四年之后,他的第一篇关于水稻的研究发表在《自然·遗传学》上。在这篇文章中,他带领的研究组克隆了一个与水稻增产相关的基因。这篇文章由位于杭州的中国水稻所、上海植物生理生态研究所以及山东大学生命科学学院的研究者一起合作完成。

  而在2014年的另外一项研究中,这个先前克隆出来的基因被证明是编码了植物特有的G蛋白γ亚基,参与植物氮素信号传导途径,调控水稻的氮响应。G蛋白介导的信号转导途径在激素、糖等响应过程中发挥着精细的调控作用。这在一定程度上说明,“有用”的研究也可以是“有趣”的基本科学问题,二者并不矛盾。

  所有的这些研究都离不开合作者的参与。

  “我们和各个层级的农科院都有合作,和农业大学的老师也有合作。他们懂生产和问题,我们懂理论和技术。和他们结合,我们就知道,针对哪些问题去做可能带来更大的贡献,或者带来的科学问题会有大的影响力。做基础的和育种家的有机组合,是水稻研究走在前列的一个非常重要的原因。” 傅向东说。

  3

  科研的积累与耐心

  虽然与育种家合作,创制优质水稻品种,进而推动生产能带来极大回馈,但储成才认为,在基础研究领域,不宜片面强调应用和产业化目标。因为,没有基础研究,应用研究也就无从谈起。

  不过,基础研究常常需要耐心,研究结果的产生需要积累。就拿储成才认为自己“最有用”的一项关于粳稻氮肥利用效率的研究来说,前前后后也经历很长时间。

  大约在十年前的一次会议上,储成才注意到了一个有意思的现象。

  一般来说,籼稻产自南方,粳稻产自北方,但几乎在同一纬度的安徽和江苏却是一个种籼稻,一个种粳稻。储成才问在场的育种学家,为什么会这样?“这个简单,安徽穷,江苏富呗。”一位育种学家答道。原来,截然不同的种植结构反映的是两地经济水平的差距。那个时候,江苏的GDP是安徽的两倍多,为保证口感好,江苏人宁愿种产量低、需肥多的粳稻。可育种学家并不清楚,为什么好吃的粳稻却需要更多的化肥。

  在随后的实验中,储成才领导的研究组首先确定了籼粳稻之间硝态氮的利用率有很大差别,接着他们克隆了背后起作用的基因,揭示出该基因一个碱基的自然变异导致了籼粳稻间氮肥利用效率的差异。随后,他们通过在北京、上海、长沙的田间实验表明,含有籼稻该基因的粳稻在一半施肥情况下,比对照氮肥利用效率能提高30%。

  在水稻基础研究领域,这样长时段的研究并不少见。

  另一个例子是最近四川农业大学陈学伟研究组关于“稻瘟病”的研究。由于在《细胞》杂志刊登水稻的文章并不多见,该文章一发表就引起了媒体的注意。不过,这一成绩的取得也经历了十多年的时间。追溯起来,陈学伟最早分离两个抗稻瘟病的受体基因还是在中科院遗传所的学生时代,也是在那时,他就对广谱抗病品种“地谷”开展了研究。

  不过,在该论文发表后,舆论的关注点却随着该校发表的一则新闻转移到1350万元的奖金上。梳理舆论的声音,有多少之争,也有褒贬之论,但其实在这1350万的奖励中,只有50万是给团队的奖金;其余1300万,刨去一次性资助的50万,剩下的1250万是分五年资助的科研经费。

  “其实,大多数科学工作者更看中的是这五年的稳定支持。可以做自己想做的事情,不用忙着申请经费了。经费申请花费了科研人员太多的精力。” 储成才接着说,对于基础研究来说,长期稳定的支持十分必要。

  4

  “酸葡萄”心理?

  不过,也有评论认为,水稻研究的成功是因为“别的国家的研究者不怎么做”。

  李家洋说,这可能有点酸葡萄心理,但更要紧的是,如果了解了中国水稻研究发展的历史,就不会发生这样的误解。

  “别人不做,这个就不真实”,他进一步解释说,“过去做水稻,中国是跟着国外去做的。国际上有专门的水稻所。从水稻基因组测序来说,是日本人、美国人先发起的。对于水稻基因克隆,最早是美国与日本在做,那时候我们是跟在别人后面学习。甚至在菲律宾的国际水稻研究所,他们经常引以自豪并对外宣传的一个巨大成绩,就是培训了多少中国科学家。但那是在早期,中国的水稻研究还没有起来的时候。随后,我们从跟着学,发展到现在的引领与超越。对于科学来说,只有第一,没有第二,你做得好,别人自然就不做了。你做得越好,别人就做得越少(不包括新兴的热点领域)。所以,不是说别人不做,而是在竞争当中失去了优势。最初日本在基因组测序上花了很多钱做,功能基因组也是投入了很多经费,为什么后来慢慢就式微了?是因为和中国比,没有优势了。这是一个竞争之后的自然结果。”

  从事植物生物学研究的周俭民也不同意类似的评论。“现在国际上的顶尖杂志比较注重公众的关注度,所以其实很多植物学方面的工作已经非常出色,但发表难度相比就大。再加上现在的评估指标化,如果数文章,做植物学的只会更吃亏。”他进一步说,“但实际上,在植物生物学领域,中国的植物学家已经做到非常前沿,而相应的其他生物学领域,可能有个别的前沿,但整体实力还是差别大”。

  5

  新的挑战

  不过,已经引领世界的中国水稻研究,前方的道路并不平坦。

  据2015年的数据,中国的水稻平均单产为每亩454公斤,过去的15年,仅仅增加了7.1%。由于农业的成本投入居高不下,国外相对便宜的农产品也在冲击着国内的农业市场。进一步降低生产成本,环境成本,提升品质依然是中国水稻研究需要长期努力的目标。

  就拿能否有效地利用氮肥来说,中国的水稻种植远不能达到令人满意的程度。中国7%的耕地面积却消耗了世界35%的化肥。化肥的生产和使用不仅增加了成本,而且造成了土壤酸化、水体富营养化,空气污染等问题,要实现中国国务院制定的2020年农药化肥零增长需要依靠科技的进步。

  未来的水稻研究也离不开各个方向研究人员的通力合作。“种康(中科院植物所研究员)他们主要是做植物低温响应的,何祖华(上海植物生理生态研究所研究员)和陈学伟是做植物抗病机制的,一般来说,抗病、耐逆性状与产量是负相关,这些优异性状之间如何组合在一起又是一个新的挑战。” 傅向东说。

  不过,新生研究力量的加入,让他们对未来感到乐观:“现在从国外回来的年轻人非常厉害,他们的培训非常全面,回来之后就能上路,几年之内就能做出非常好的成绩。”

  当然,无论是从个人待遇,实验条件,经费支持,一切都已今非昔比。如果正常发展,其他作物的研究,乃至一般的植物生物学领域,水稻的成功将不难复制。

【责任编辑:齐越】

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