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一群90后00后解锁“超级玉米”关键基因:个个是“学霸” 人人能下地

2022-11-28 22:56:05 | 来源:
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  “我们一年要在太阳下晒3季,上海大棚中的工作温度在40℃以上。”分子植物卓越中心研究员巫永睿说。他带领的这支团队日前与上海师范大学王文琴团队合作在《自然》杂志上发表研究论文,他们从野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因THP9,有望将玉米的蛋白含量从8%最终提高至20%,直接减少饲料中进口大豆的使用,提高饲料质量。

  高蛋白玉米就像是一种“超级玉米”。该团队实验中期产出的蛋白含量约为14%的玉米被用于山东某养鸡场后,每只鸡的饲养成本能节约3角。而在我国,每年出笼的肉鸡有约122亿只。该成果带来的价值可见一斑。

  玉米蛋白每提高1%,能省下近800万吨大豆

  玉米,是全球三大主要粮食之一,也是世界上最高产的农作物之一,全球年产12亿吨,中国年产2.7亿吨。而全球约70%的玉米都被用作饲料,玉米产量高、有效能量多,是最常用且用量最大的一种饲料,故有“饲料之王”的美称。

  随着人们生活质量的提高,对肉蛋奶的需求不断增加,玉米的消费量也日益增加,这使得近年来我国玉米进口量不断提升。“我们国家有18亿亩耕地,其中大约6亿亩已经种了玉米。我们认为,玉米的耕种面积不太可能有再大的增长空间了。”巫永睿说。

  他告诉记者,由于玉米籽粒蛋白含量较低,大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%,因此饲料中需要补充大豆蛋白。我国是全球最大的大豆进口国,大豆行情的一丁点变化都可能产生较大影响。这成为我国畜禽养殖业的突出问题。

  根据巫永睿团队的研究统计,如果普通玉米蛋白含量能提高一个百分点,那么我国就可以少进口近800万吨大豆。提高玉米蛋白含量,成为解决这一问题的关键。

  学界一个较为普遍的共识是,可以通过克隆玉米的祖先、起源于墨西哥南部的大刍草的优质高蛋白基因,来改变当前玉米营养不太够的状况。大刍草外壳坚硬、无法食用,但它在野生生长、不施加氮肥的情况下,却能达到30%的高蛋白含量。

  近百年来,这种野生玉米高蛋白形成的机理问题长期悬而未决,控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因一直没找到。

  2012年,已在海外从事6年玉米研究的巫永睿,回到分子植物卓越中心面试,他告诉自己的博士生导师即分子植物卓越中心主任韩斌,自己要做玉米高蛋白基因的研究,费时费力成本高,还不一定能出成果。

  “我们的中心就叫卓越创新,没有大量的失败,哪能做得出卓越的创新成果?”巫永睿说,自己在这里得到了一个专心做研究的好平台。

  入学有“三问”,背着50斤玉米在地铁里穿梭

  从2013年开始,巫永睿开始招收研究生,组建一支研究团队,专门进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。

  每一个新入学的学生,都会被巫永睿问3个问题——花粉过不过敏?下地干活行不行?成为卓越研究型人才的决心有没有?

  巫永睿告诉记者,做玉米研究的人,除了要能在实验室里对玉米蛋白含量进行测定、做“高大上”的遗传分析工作、懂计算机技术、有生物信息学基础外,还要会“种玉米”。

  这个“种”,与普通农民的“种玉米”完全不同。为了确保每一茬玉米材料的纯正性,团队成员们要自己播种、打药、收集玉米的花粉进行人工授粉,收获后还要对玉米材料进行蛋白和基因型分析。

  “我们都是在用空间换时间。”论文的第一作者、巫永睿的博士后研究生黄永财从2015年加入团队至今,已经成为这个团队的“种地大哥”,每来一拨儿新人,他和巫永睿都会带着年轻人上“下田第一课”——授粉。

  为了能更多地收获不同基因特征的玉米,他们每年会在上海种2季玉米、海南种1季玉米。每次收获季,他们都是在室外超过30℃、棚内超过40℃气温下进行作业的。

  每研究出一代玉米,它的种植时间约为4个月,一亩地产出约2000株玉米,研究样本总共需要约2万株。拿到玉米样株后,年轻人还要从里头挑出最纯正、品相最好的运回实验室,对它进行“切片化验”。从2013年至今,该团队已经种出了10代携带不同高蛋白基因的玉米。

  黄永财喜欢把玉米样本称为“材料”,它与普通玉米不同,授粉非常严格:需要先把玉米花粉收集到一个纸袋子里,再快速把它倒在玉米花丝(玉米须)上,以确保材料的纯正性,“这一步特别关键,中间不能出半点岔子,其他花粉如果飘到花丝上面,这个材料就废了,后续所有研究都会出错。”

  就连运送玉米,年轻人们都是亲力亲为。11月中下旬,团队成员、00后女生李瑜洁背着一袋约50斤重的玉米、沾着满身的泥点子,从上海松江的农田乘坐地铁返回实验室,一路上引得众多路人侧目。

  “是有点尴尬的,但我已经习惯了。”李瑜洁说。

  “坚持+创新策略”是年轻人的制胜法宝

  李瑜洁是新加入团队的研究生,这个来自云南的女孩高高瘦瘦的,皮肤比刚来读研时黑了不少,“我们下田时全副武装,穿着长袖长裤,戴一顶很大很大的帽子。然而,并没什么用。”

  她告诉记者,大家至少要在大棚里待一两个小时,进棚不到10分钟就热得不行,把装备脱了也没太大用。最终,巫永睿团队成为分子植物卓越中心当之无愧的“最黑”团队。

  巫永睿说,团队里的每一个成员,都特别能坚持、特别能吃苦。高蛋白玉米的研究成果发布后,很多媒体用“十年磨一剑”来形容巫永睿团队,这其中最主要的就是一个“磨”字,“个个都是学霸,个个都能下地干活儿。”

  其中,最能磨的当属论文第一作者黄永财。他从“拜师”开始,就靠“磨”。2015年,黄永财为了加入巫永睿“门下”,几乎天天来找导师磨。

  “我当时收了一个硕博连读的学生,当年的名额没有了。”巫永睿说,自己回绝了黄永财好几次,但这个学生还是每天坚持来找导师“谈理想”。

  “我就是想做玉米研究,我特别看好这个方向。哪怕10年20年后结果出来,发现这个想法不可行,我也能接受。”黄永财告诉记者,当时三大主要粮食作物领域,水稻的研究已经相当充分,小麦的研究尚在起步阶段,而玉米的研究正处在攻坚阶段。国外已经有不少实验室开始尝试做高蛋白玉米的全基因序列,“学界定位到了玉米高蛋白表达的一个区间,但是谁都没法精准找到,到底是哪个基因位点在发挥作用。”

  巫永睿团队的厉害之处在于,他们既有像黄永财这样对材料纯正性“苛求”的年轻人,能提供最好的、可供深度分析的玉米,又有像副研究员王海海这样的遗传学专家和像王文琴这样的生物信息学专家,“多学科联手,我们就能从看上去乱糟糟的基因序列里,找到那个关键点位。”

  这个过程中,研究团队提取了超过4万个样本的DNA,进行基因型鉴定,测定了超过2万个样本的蛋白含量,进行表型分析,并分别进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆,最终从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

  野生玉米优良基因导入后,使玉米种子蛋白质含量增加约35%,根中氮含量增加约54%,茎中氮含量增加约94%,叶片中氮含量增加约18%,生物量即植株整体重量也大大增加。

  研究团队还在三亚南繁基地进行了大规模田间试验,将野生玉米高蛋白基因杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中,可以显著提高杂交种籽粒蛋白含量,表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能。

  《自然》杂志审稿专家这样点评这项了不起的工作:“作者从玉米的野生亲缘大刍草中发现了一个有望提高玉米蛋白质含量和氮利用效率的靶点。这项工作展示了利用作物的野生亲缘来实现可持续农业的巨大潜力。这代表了一项令人印象深刻的工作,它强调了将野生祖先的遗传变异引入优质作物的潜力,以促进更可持续的农业和未来的粮食安全。”

  中青报·中青网记者 王烨捷 视频 周冠伶 来源:中国青年报 【编辑:姜雨薇】


  《 一群90后00后解锁“超级玉米”关键基因:个个是“学霸” 人人能下地 》( 2022-11-28 22:56:05版)
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