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傅向东:破译水稻少肥高产密码

时间:2020-04-18    点击: 次    来源:中央纪委国家监委网站    作者:佚名 - 小 + 大

      “一个东西只要你认准了,就不要放弃。只有走错一步才会走对下一步,如果一开始就知道结果,那是工程不是科研。”

  春节期间,一则“傅向东团队发现赤霉素信号传导新机制提高水稻氮肥利用效率”的新闻淹没在疫情防控的信息里,但这一新发现还是在业内引起较大关注。

  这一篇荣登《科学》杂志封面的文章,深化了对植物赤霉素信号传导和氮素响应之间复杂的相互作用机制的理解,是傅向东团队十多年来深耕赤霉素和氮素协同调控水稻生长发育机制的又一重磅成果。通俗来讲,傅向东的研究内容是,如何在减少氮肥使用的情况下提高水稻的产量。

  “创新为民,惠泽五州”,在傅向东的办公室里,小麦遗传育种学家、中国科学院院士李振声的题字非常醒目。这正是傅向东的初心和快乐源泉。“能将自己的研究兴趣和国家需求结合在一起,是非常幸福的事。”傅向东说。

  “没办法,我就喜欢搞研究”

  “人一旦喜欢了一件事,就不会考虑太多东西。没办法,我就喜欢搞研究。”傅向东说,他对遗传学的兴趣从高中就开始了。

  在中学的生物课中,关于人类ABO血型的遗传让傅向东对基因产生了兴趣。“我觉得太有意思了,A型的父亲和B型的母亲,可以出现A型、B型、AB型,还可能会有O型血的小孩。这是为什么?”傅向东回忆,那时候最喜欢做的考试题,莫过于通过一系列附加条件推导出父母血型的这一类遗传题目。

  就这样,高考填报志愿时,在大多数学生对专业还一头雾水时,傅向东坚定选择了武汉大学生物系遗传学专业。“当时有老师劝我考虑一下热门专业,但我这人一旦有了想法就会坚持。”他笑着说。

  这种执拗和坚定让傅向东总是喜欢挑战难题。

  在英国约翰英纳斯研究中心(John Innes Centre)留学期间,傅向东师从英国皇家学会会员、牛津大学教授尼克哈伯德(Nicholas P. Harberd),这位著名的遗传学家一辈子专注于赤霉素调节植物生长发育的机理研究。

  上世纪60年代,以降低农作物株高、半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”,使得全世界水稻和小麦产量翻了一番,解决了温饱问题。

  “早在上世纪30年代,科学家们已经发现赤霉素这种化合物能够促进植物生长,但它具体是如何调控的,这个机理不清楚,我所在的实验室主要工作就是利用拟南芥这种模式植物,来研究赤霉素的调控机理。”傅向东说。

  半个多世纪之后,被打上“绿色革命”烙印的水稻、小麦让农学领域的专家开始被另一项新的问题困扰。

  “半矮化农作物株高变矮了使得它对化肥不敏感,带来的后果就是氮肥的利用效率也下降了,农民大量施肥,但并没有获得他们想要的产量,同时又带来了环境问题。”傅向东说。

  在英国,傅向东用实验证明了“绿色革命”矮秆品种氮吸收能力降低这一事实。“我的导师都觉得不可思议。”傅向东回忆。

  “我们构建了带有‘绿色革命’矮秆基因和不带矮秆基因的水稻和小麦近等基因系,系统比较了矮秆基因对生长发育和氮素代谢的影响,发现植株变矮后的氮素吸收和同化能力确实下降。”傅向东说,此外,虽然带有“绿色革命”矮秆基因的水稻和小麦的分蘖数增加,但每穗上的种子数量是减少的。

  如何在现有矮化品种高产抗倒伏的优良性状基础上,提高其氮素利用效率;或者在现有施肥条件下,有没有办法提高每穗的穗粒数?这成为萦绕在傅向东心头的问题。

  将个人兴趣与国家需要相结合

  带着这两个问题,傅向东不再满足于拟南芥的研究,他更想做些离育种实践更近的内容。

  他选择了回国。虽然彼时,中科院遗传与发育生物学研究所条件不算好,“但这里是水稻功能基因组学研究的国家队,而且所里氛围很好,我想做一些对国家有用的事情。”傅向东说。

  当时,傅向东不想再研究赤霉素的作用机理。“别人都已经做几十年了,我更想开辟一个新的方向。”他回忆。

  他开始解码“超级稻”高产性状形成的分子机理。研究目标很明确,就是希望把提高产量的关键基因找出来,将来可以利用它进一步通过分子育种来提高作物产量。

  “我们从高产品种‘沈农265’克隆了直粒穗基因DEP1,研究它的高产机理。” 傅向东说,“运气很好,很快分离出DEP1,GW8,NPT1和LGY3等一批高产基因。”

  让他欣慰的是,此后,育种学家们利用其团队的研究成果,成功培育出不少高产优质新品种。

  但慢慢地,他发现,要想在减少氮肥施用的同时提高作物产量,解决我国农业发展迫切需要解决的环境制约问题,还是得解答当年他在英国时思考的问题。他说,化肥能促进植物的生长发育,就像人类吃饭一样,植物也需要“吃饭”,这一既能吃饱又无需花费时间减“肥”的值,正是他和学生们迫切寻找的答案。

  傅向东团队一头扎进植物生长——代谢平衡的协同机制研究。

  十多年来,傅向东团队找到与植物氮素吸收及利用率密切相关的基因GRF4,从分子水平上揭示了“绿色革命”矮秆育种伴随氮肥利用效率降低的原因,并提出了明确的解决方案。

  在此基础上,他带领团队以水稻产量性状对氮素营养的响应为切入点,找到了赤霉素和氮素协同调控水稻分蘖的关键基因NGR5,阐明了NGR5介导的赤霉素信号传导途径调控水稻氮肥利用效率的分子机制。

  他现在最关心的问题是如何与育种家、种业公司加强合作。“希望我们的基础研究可以和育种家的实践经验相结合,推动育种技术的进步。”傅向东说。

  不要NO.2,更不要Me too

  傅向东是个温和随性的人。

  “没大没小”,是别人对他们实验室的评价,“没有距离感”,则是学生们对傅向东的评价。

  每到学生们去海南育种基地的时候,傅向东总会在工作结束后请学生们吃饭,喝椰汁,偶尔也会小酌一杯或是一起去唱歌。他悉心捕捉着学生们的情绪变化,“学生们有些平时不敢说出口的压力,这个时候就能抒发出来了。”他笑道

  就像发论文要少而精一样,傅向东带的学生也不多。迄今为止,他总共培养了20余名学生。他确保每个学生都能被关注。在他朱红色办公桌的左侧,码放着9沓厚厚的、贴有名签的文件,这些做满彩色标记的手稿,记录了他和学生的每一次谈话。

  让人意外的是,他见到前来报考的学生第一句话竟然是劝学生再考虑考虑。“我会告诉学生两点,第一,实验室特别苦,第二,发文章特别慢,说不定到毕业时都没有文章。”

  他“把丑话说在前头”的目的是希望找到那些对研究真正感兴趣的学生。“这是他们人生最美好的时光,如果浪费在自己不感兴趣的事情上,他不开心,我更不开心。”傅向东说。

  “做研究就要做Number One,不要Number Two,更不要Me too。”这是傅向东常对学生们说的话。他要求学生们多思考,少做无用功。

  他会劝学生早点回家。“做科研更多的是要思考,学生们需要加强的是多思考、多总结,少走弯路。”傅向东说,这也是他在英国留学多年学到的最宝贵的内容之一。

  至于发论文,他要求学生必须能讲一个完整的故事。“一个人能被人记住的文章不多,倒不如做些能被记住的事。”傅向东说,因为发论文在他面前哭鼻子的学生不止一个。

  他认为这是做科研的日常。相比水稻DEP1基因功能研究的“运气”,傅向东还进行着更多“令人郁闷的研究”。有些2005年就开始做的研究项目,到现在也没有很大的突破。学生们也很郁闷,但是没办法,因为他觉得“不应该轻言放弃”。

  “一个东西只要你认准了,就不要放弃。”他经常对学生说, “只有走错一步才会走对下一步,如果一开始就知道结果,那是工程不是科研。”(记者 操秀英)

  人物档案

  傅向东,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、中国科学院大学教授、植物细胞与染色体工程国家重点实验室主任。2005年入选中国科学院“百人计划”,获国家杰出青年科学基金。2016年入选万人计划科技创新领军人才,2017年获谈家桢生命科学创新奖。近年来在赤霉素信号转导和高产性状形成的遗传调控机理等方面取得一系列研究成果,为“少投入、多产出”的高产高效农作物分子设计育种奠定了理论基础,为农业可持续发展提供了新的育种策略。

来源:科技日报

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