他们潜心30年攻克“杂种不育”难题

本文转自：科技日报

他们潜心30年攻克“杂种不育”难题

——记中国工程院院士万建民科研团队

图为万建民（左四）和团队成员。 南京农业大学供图

【创新团队】

◎本报记者 金 凤 通讯员 许天颖

今年是万建民团队的“大满贯”之年。

前不久，由中国工程院院士万建民领衔、南京农业大学和中国农业科学院作物科学研究所（以下简称农科院作科所）科研人员共同组成的团队，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。相关成果发表于国际权威学术期刊《细胞》。

至此，继2013年、2018年在《自然》《科学》杂志发布研究成果后，万建民科研团队在水稻分子遗传与育种科研领域又取得突破，实现在三大顶尖期刊均发表成果的“大满贯”。

“我从1991年开始研究‘水稻杂种优势利用’难题，这也是团队30年来的科研重点。”在万建民看来，“大满贯”是里程碑，但不是终点。

细数这三项成果，几乎每项都是“十年一剑”，并且无一例外都是由青年科研人员挑重担、多家单位联合攻关完成的。

在每一次科研攻关中，这支团队或多或少总会遇到挫折，但最后的成果标注了奋斗的价值。“我从没想过失败了怎么办，只想着如何从黑暗中寻找光明。”万建民团队成员、南京农业大学农学院博士后王超龙说。

不怕从头再来

“整整8年了。”看着自己所在团队的文章出现在《细胞》杂志网站的页面上，王超龙百感交集。只有他自己知道，这条路走得有多难。

2010年开始硕博连读的王超龙，师从万建民，潜心研究水稻“杂种不育”的机制。

2015年，在基因功能验证多次无效后，王超龙发现5年前他接手的试验材料数据不准确，导致研究停滞不前。

“相当于马不停蹄跑了5年，结果迈出的第一步就错了。”这对于醉心科研、满怀期待的王超龙而言，是个不小的打击。

走错一步，浪费了5年，后面的路该怎么走？

“有曲折才说明有挑战，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仿佛黑暗中的一道光，照进了王超龙的心里。

2016年，王超龙开始从事博士后工作。他决定从头开始，重新构建试验材料。为了尽可能提高效率，王超龙在南京农业大学的南京土桥水稻遗传育种基地和海南陵水南繁育种基地之间来回奔走，埋头试验。

2019年，得到严谨实验数据的他再一次惊讶地发现，实验结果和研究假设“对不上”。

“难道是引起籼稻和粳稻杂种花粉不育的‘守卫者’基因找错了？”彼时的王超龙无法确定，是老天再一次和自己开玩笑，还是新的研究成果正在孕育之中。

王超龙决定重新验证实验数据。关键时刻，万建民让他带领的南京农业大学和农科院作科所这两支科研团队分头推进、互不干扰，得出结论后再进行比对。

“验证数据的那两年，我和农科院作科所博士后王建，经常一天里要通五六个小时的电话，还不时讨论到凌晨两三点。”王超龙说。

强强联合破难关

苦心人天不负。

2年后，王超龙和王建在进行充分的数据比对和讨论后，大胆提出了假设：并非原先的基因找错了，而是存在一种新的遗传机制。

也就是说，原先认为存在于花粉中的“破坏—守卫”机制，即“破坏者”基因会伤害所有花粉细胞，导致花粉不育，而“守卫者”基因可以阻止“破坏者”基因，因此那些遗传了“守卫者”基因的花粉细胞，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，万建民团队请来了拥有多年实验经验的中国农业科学院研究员吴传银，他是植物组织培养和遗传转化方面的资深专家。

为了确保每一论证步骤的精准，吴传银从实验设计到载体构建，再到转化和统计分析都进行了细致的设计。

2021年夏天，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。”

当王超龙看到实验结果与假设完全一致时，他喊了一声：“找到了！”

“破坏者”“守卫者”这两大“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。”这是万建民最常说的一句话。

在清华大学教授柴继杰、香港中文大学教授姜里文等资深专家的帮助下，王超龙与中国农业科学院研究员熊叶辉深入交流，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相互作用，干扰线粒体的产能功能，使花粉因缺少能量不育。而“守卫者”可与“破坏者”直接互作，阻止“破坏者”进入产能工厂，使其不能“作乱”，花粉从而能正常发育。

至此，经过13年的联合攻关，“杂种不育”难题终于被弄清了。

将理想融入国家需求

面向国家需求、解决重大科学问题，这是万建民团队30年来书写的“粮丰民安”科研故事的主题。

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，但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，该团队已发现、定位和命名了27个不育基因和广亲和基因。

30年来，只要条件允许，万建民都会在周末回到南京农业大学。

“周五搭乘最晚的航班去南京，周日再搭乘最晚的航班回北京。在我的日程表中，没有‘周末’一说。”万建民说。

每年5月至6月，在南京市江宁区的土桥社区水稻实验基地中，万建民团队100多位师生一起播种、拔秧、排秧、插秧。万建民有时间便会参与其中，用行动告诉学生，“做水稻研究，一定要到田间去，一定要紧跟生产实际”。

水稻育种是一项长周期科研工程。为了完成育种任务，有时万建民团队成员要搜集上万份种质资源，耗费大量的人力、物力和时间。例如，该团队用18年发掘水稻半不育基因PSS1，用25年才发现水稻部分显性矮秆多分蘖基因D53……

除了产出高水平研究成果，30年来，这支团队还围绕水稻的抗性、品质、氮高效利用、耐盐碱水稻品种挖掘等解决现实问题，打通基础研究与应用研究，串联起水稻育种的上、中、下游。

“他们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。正基于此，万建民团队才实现了一个又一个的突破。”南京农业大学校长陈发棣说。