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傅向东:坚持水稻“减肥”十八载

发布时间:2023-06-20 19:18:21 人气:

傅向东(右二)和团队成员。

■本报记者 冯丽妃

中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)研究员傅向东是一个给水稻“减肥”的人。

“水稻和人一样,肥吃多了也会‘变懒’——根系变小,吸肥能力降低。”研究水稻氮肥高效利用多年,傅向东深谙这种作物的脾性。

2005年以来,傅向东与团队试图通过挖掘潜在的“高产+氮高效”优异等位基因,并将其按需组装,突破优良性状间相互拮抗的育种瓶颈。他们还培育出“中禾优”系列水稻,在实践中实现了“减肥增效”双赢。

十八载的持续深耕让傅向东和合作者获得不少荣誉。两年前,他们走进人民大会堂,抱回烫着金字的大红色国家自然科学奖二等奖证书。近期,他们又获得中国科学院杰出科技成就奖。今年初,傅向东还获得了首期“新基石研究员项目”资助。

1%的成功

北京奥运村,遗传发育所一间七八平方米的小型育苗室内,水稻、小麦、拟南芥等多种实验材料悄然生长。

这些材料尽管身材都很“迷你”,“身价”却不一般。它们都被转入了科学家看好的潜在优异等位基因,科学家通过材料的长势可“管窥”目标基因是否理想。

傅向东心中的理想基因是,在给肥料做减法的同时给产量做加法。这样的“加减协同”是育种上的难题。

上世纪60年代,半矮化作物育种引领了农业史上的“绿色革命”。这场“绿色革命”究竟如何影响产量与化肥利用效率?一直以来,其中的机理并不清楚。

傅向东:坚持水稻“减肥”十八载

在英国约翰·英纳斯中心做博士后期间,傅向东找到了原因。半矮化品种中阻遏赤霉素信号途径的一个植物生长抑制因子——DELLA蛋白的积累会升高,降低了作物株高,有效提高了抗倒伏能力,但也伴随着作物穗粒数减少、氮肥利用效率下降。

能否扭转半矮化品种的劣势,引发新一轮“绿色革命”呢?傅向东希望啃下这块“硬骨头”。

这些年,他和合作者已经找到多条实现“减肥增效”的潜在路线,可在不改变株高的条件下,增加穗粒数、分蘖数,实现高产和氮高效协同改良。

第一条路线涉及影响植物生长发育的G蛋白。这条路线为减少“绿色革命”负面效应、实现减肥增效提供了新的育种策略。傅向东和中国科学院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员钱前等合作者因此获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

第二条路线是影响植物碳-氮代谢的赤霉素信号通路。他们从携带“绿色革命”基因的水稻材料中克隆了一个氮肥高效利用的关键基因GRF4,为植物碳-氮协同高效利用打开了一扇窗。

第三条路线则是优异等位基因组合叠加。例如,控制水稻生长发育的氮响应基因NGR5,能在减少氮肥投入的同时增加水稻分蘖数;GRF4、NGR5与DELLA蛋白互作,可协同提高作物光合作用和氮肥利用效率,且保持半矮化性状。他们将DELLA、GRF4与NGR5进行模块化组合,实现“减肥增效”。

接二连三的亮眼成果引得很多人向傅向东“取经”:“成功率为啥这么高?”傅向东的回答是,其实99%的实验都是失败的,只有1%的成功被写到了论文里。

“要找到一个具有重大育种价值的基因很难,就像大海捞针,总要经历很多失败。”他说,“有时一项研究会走到死胡同,一项成果在发表时总觉得还差点火候,就只能先放下,等过几年,有了好思路再重新做。”

傅向东的电脑里存着许多篇写完后未发表的文章。他的第一名博士生蒋才富在2007年撰写的一篇论文仍在一个“未发表”的文件夹里,而这名博士生如今已是中国农业大学一名教授。

田间的源泉

今年2月,遗传发育所温室里培育了近两个月的秧苗材料从北京被空运至海南,在农业“南繁硅谷”的试验田落地生根。它们承载着傅向东和团队的新期待。

“从事分子生物学研究的人,不能只做马后炮的事情。”傅向东常这么说,“除了揭示优良品种优势产生的遗传机制、发表论文外,还要解决一些实际问题,真正为农民带来利益。”

与坐办公室相比,傅向东更喜欢下田。在海南,傅向东和团队每年都会种水稻;在安徽,他们的试验田从无到有,已增长到如今的100亩。

回国十八年来,他每年国庆节都是在稻田里度过的。他会和学生一起,仔细观察田里作物的表型,分析它们与试验预期是否存在差距。有时,一些意料之外的表型会给他们的试验打开新窗口。

事实上,在作物育种中,并非所有优异基因的组合都能产生“1+1>2”的叠加效应。在田间,他们尝试把不同的优良等位基因聚合在一起,探索能否达到理想的“减肥增效”目标。

基于10多年的分子机理研究,傅向东与合作者培育出“中禾优”系列水稻品种。据介绍,这些设计型新种质资源目前已经发展到第11号。

“每一个编号我们都尝试解决一个问题,把难以协同改良的优良性状整合到一起。”傅向东说。

以“中禾优1号”为例,这一品种突出高产和高效,在正常施肥的情况下,产量比对照品种高18%左右。研究团队还通过进一步聚合细粒长相关优异等位基因,推出“中禾优3号”和“中禾优5号”,培育出外观更细长的优质稻米。

从在实验室中发现产量和氮肥利用效率难以协同调控的关键分子机理,到在大田里突破高产和氮高效难以协同改良的育种瓶颈,傅向东表示,这些都离不开长期深入的合作。

从“沈农265”水稻品种开始,傅向东和钱前的合作已持续了十几年。“钱前院士的水稻资源很丰富,也非常懂农学。从材料共享到专业互补,我们的合作一直非常密切。”傅向东说。

今年2月,中国科学院杰出科技成就奖获奖名单中,除了两位“老搭档”外,还有遗传发育所青年研究员吴昆、副研究员刘倩和南京农业大学教授李姗。3位青年科学家都是团队近年来培养的骨干人才。

类似“中禾优”系列品种的多基因设计与聚合实验,傅向东与合作伙伴在继续开展。随着水稻试验产能的高度释放,傅向东希望,通过“减肥增效”这条路,减少农民投入,降低环境污染。

一个关于未来的故事

今年1月,傅向东获得了“新基石研究员项目”资助。资助名单公布后,一位评委给他发邮件祝贺,称他在答辩中讲了一个“打动人心的故事”。

此次采访中,傅向东再次提及,到本世纪60年代,作物的生长环境与百年前“绿色革命”时完全不同。随着全球气候变暖与二氧化碳浓度增高,植物的光合作用无疑会增强,但植物根系对矿物元素的吸收能力却会下降,特别是对氮肥的吸收能力可下降28%。

这意味着,未来环境将对碳氮利用效率提出新挑战。例如,如何把更多二氧化碳变成光合作用的原料?如何在环境变化中调控植物的碳-氮吸收平衡?

这些具有挑战性的问题,也是未来5年傅向东要回答的。“不同时代作物育种都会有新的问题。”傅向东说,他希望把给作物“减肥增效”这条路走到底。

对傅向东和他的团队来说,这是压力,也是动力。

他们已经找到了一些线索,比如碳-氮协同正调控基因GRF4及其互作网络。下一步,他们希望将植物生长发育、氮素代谢和光合作用作为统一整体,探索提高氮肥利用效率的新思路和新方法,助力实现“可持续型绿色革命”。

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