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中国水稻研究缘何引领世界?

2017-08-01 06:53:05

  来源:知识分子公众号

撰文 | 邸利会

  责编 | 李晓明

  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。

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发布者:sophia

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