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傅向東:讓水稻少“吃”肥料多打糧

2020-05-14 07:44 | 作者: 中國科學報 | 標簽: 傅向東

說起中科院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究員,很多研究水稻遺傳的人都會想到一個稱呼:“GA MAN”。

這與傅向東的代表性研究方向——赤霉素不無關系。這種可調控水稻養分吸收,影響水稻產量的激素的英文縮寫正是“GA”。盡管其中不乏調侃的意味,但這個“外號”同樣隱含了傅向東所取得的成績,還有他一路走來的堅持。

讓水稻少“吃”肥料多打糧,傅向東沿著這條路已經走了二十多年。他和團隊的研究成果多次登上《自然》《科學》等國際學術期刊的封面,助推我國水稻研究走向國際前沿。他們的很多研究成果還被育種學家采用,從實驗室走進了田間,豐實了一方糧囤。

“創新為民,惠澤五州”,在傅向東的辦公室里,小麥遺傳育種學家、中國科學院院士李振聲的題字非常醒目。“如果能把個人興趣跟國家需求相結合,實現自己的理想,又對別人有幫助,是件幸福的事。”傅向東說。

帶著問題向前走

今年2月初,傅向東團隊發現赤霉素信號傳導新機制提高水稻氮肥利用效率的成果登上《科學》雜志的封面,在業內引起很大關注。

從克隆水稻氮高效基因NGR5,到基因功能驗證和后續分子機制解析,這項研究前后花費的時間超過十年。它讓人們了解了水稻如何感知和響應土壤氮肥含量變化,進而調控水稻株型和產量。

從黑暗中探索到走向光明,這個故事要從傅向東在英國約翰·英納斯研究中心做博士后說起。2001年,師從英國皇家學會會員、牛津大學教授尼克·哈伯德做研究時,傅向東把目光聚焦向“綠色革命”的分子機制。

上世紀60年代,半矮化作物育種引領了農業史上的“綠色革命”,讓全世界水稻和小麥產量翻了一番。

半個多世紀后,帶著“綠色革命”烙印的半矮稈水稻、小麥卻給農學專家帶來了新的困擾。農民大量施肥,不但僅沒有獲得想要的產量增加,而且還帶來了土壤酸化、湖泊污染等環境問題,副作用日益突顯。

“綠色革命”產量增加和氮肥利用效率降低之間有沒有關聯性呢?當時科學界尚無答案。

帶著這個問題,傅向東通過實驗證明了半矮化農作物品種中赤霉素信號途徑的阻遏因子DELLA蛋白積累較高,使得農作物具有耐高肥、抗倒伏和高產特性,但同時伴隨著氮肥利用效率下降。研究結果受到極大關注,哈伯德稱其“不可思議”。

一個問題被解開了,等待著傅向東的是更多的問題。能不能在“綠色革命”品種高產的基礎上,提高氮肥利用效率?在減少施肥條件下,如何提高每株水稻的穗粒數和分蘗數?這些問題不斷在他腦際縈繞。

傅向東突然意識到,如果把自己的科研興趣和國家需求結合起來,再從中找到有意思、有挑戰性的科學問題,這或許是最佳的選擇。

做科研 很幸福

機會來了。2004年,35歲的傅向東回到國內考察,那時候國內的分子生物學研究剛剛起步,遺傳發育所科研條件并不是很好,但他看到了農業研究的希望。2005年,他毅然回國,組建了自己的實驗室,放棄了以前從事的擬南芥研究,轉而投入并不熟悉的水稻領域。

傅向東一方面從中國大面積種植的“超級稻”中挖掘和克隆影響水稻高產性狀的關鍵基因,另一方面尋找適宜的突變基因。他的目標很明確:超越“綠色革命”,降低農業高肥耗,通過分子育種突破產量的“天花板”。

經過十多年的探索和耕耘,傅向東和團隊的一些研究逐漸開花結果。

在水稻增產方面,他們克隆了協同提高水稻產量和氮肥利用效率的直立穗基因DEP1,找到了能夠讓水稻穗粒數和產量增加的新株型基因NPT1。針對水稻“高產不優質、優質不高產”的矛盾,他們還發現了控制稻米產量和品質協同提升關鍵功能基因GW7、GW8和LGY3。

在減少化肥施用方面,2018年,傅向東團隊找到了氮高效利用基因GRF4。該基因能協同調控碳—氮代謝,促進作物生長和產量提升,從分子水平上為破解“綠色革命”矮稈育種帶來的氮肥利用效率下降的育種難題給出了明確的解決方案。研究成果在刊登于《自然》封面后受到國際矚目。

在此基礎上,傅向東帶領團隊克隆了調控水稻分蘗和產量性狀響應土壤氮素水平變化的關鍵基因NGR5。他們將優異等位基因GRF4和NGR5疊加,可協同提高作物產量、光合作用和氮肥利用效率,為突破“少投入、多產出、保護環境”育種瓶頸提供了具有重要應用價值的基因資源。

“有活力、有毅力、有創造性”,這是伯哈德教授對傅向東的評價。盡管這位昔日的中國學生已經回國多年,他們之間仍保持密切的聯系與合作。

不止如此,傅向東團隊還跟國內農業大學、農科院以及種業公司合作,把新發現的優異等位基因應用到育種實踐中,或是把一些突破性的新品系(種)交給育種家或公司去推廣。

這些成績讓我國水稻研究矚目國際,傅向東先后被授予“第十一屆中國青年科技獎”、“大北農科技獎”、“全國優秀科技工作者”、“中青年科技創新領軍人才”、“談家楨生命科學創新獎”等獎項。

未來仍要倍加努力

如果把十多年來所獲得的全部優異等位基因疊加在一起,能夠讓水稻產量提高多少呢?傅向東坦言,目前實驗室里做研究的產量很高,可以達到每畝800公斤到1000公斤,但實際生產中仍在處于平均畝產四五百公斤的瓶頸。

“產量是復雜性狀,不僅僅是靠遺傳因素就能決定的,還有很多環境因素的限制。”他舉例說,全球升溫會提高植物光合作用,促進植物生長發育。但植物像人一樣“不光吃素還要吃肉”,它們還要從土壤里吸收更多的水分、礦物元素等。與此相對,我國北方地區水資源短缺、化肥使用過量等問題,要解決這些問題,又面臨一個個新的挑戰。

“環環相扣,這就是遺傳學研究的魅力。”傅向東說,在不同環境下怎么發揮模塊化的分子調控網絡的最大效應值?這是科學家或者育種家現在應該更加關注的。

盡管做科研、發文章、解決問題,有成功和吸引人的一面,但背后免不了失敗和挫折。對于傅向東也是一樣。“每個實驗室都有傷心事。”擔任植物細胞與染色體工程國家重點實驗室主任的傅向東有些澀澀地說。

有學生申請到實驗室做研究,傅向東曾“嚇唬”他們道:“做科研苦,做農業科研更苦;而且很可能五六年下來,不見得能發一篇論文。”他把“丑話說在前頭”,是希望能夠招到能夠真正對科研感興趣的人,這樣遇到困難才會堅持下去。

關于科研,傅向東的看法是:“要做就做Number One,不做Number Two,更不做Me too。”對于論文發表,他要求必須“有一個完整的故事”。“發文章不是做科研追求的終極目標,認認真真去做一件事,做好了自然而然就會有文章。”他說。

就像發論文要少而精一樣,傅向東帶的學生也不多。迄今為止,他總共培養了20余名學生。他們都在崗位上做出了很好的成績。其中不乏青年才俊,如28歲的教授李珊,“80后”青年研究員吳昆等。

“在水稻功能基因組學研究方面,中國已經走在國際前沿。”傅向東說。特別是這10多年來植物學科在國際上的影響力越來越大,但不應因此驕傲。除了水稻,我國還有很多別的作物如玉米、小麥等都有待于提升。所以,國際科學交流仍十分重要,只有在別人基礎上以人之長補己之短,才能實現彎道超車。

傅向東表示,上世紀60年代“綠色革命”促進具有地域特點的農業發展,解決了發展中國家糧食危機問題。未來50年,在全球化背景下的中國農業可持續發展和糧食安全仍然面臨巨大挑戰。在此背景下,設計育種對于守住糧食安全線將大有可為。傳統的品種選育技術必然會向目標更清晰、育種時間更短、培育更精準的分子設計育種發展。

“實現這個愿景要做的還有很多,這就要求我們倍加努力才行。”傅向東說,“夢想肯定是要有的,只要你認準了,就不要放棄。”

來源:中國科學報

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