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傅向東:讓水稻少“吃”肥料多打糧

2020-05-20 中國科學报 冯丽妃
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傅向东 王之康摄

  说起中國科學院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东,很多研究水稻遗传的人都会想到一个称呼——“GA MAN”。

  這與傅向東的研究方向——赤黴素不無關系。這種可調控水稻養分吸收、影響水稻産量的激素的英文縮寫正是“GA”。讓水稻少“吃”肥料多打糧,傅向東沿著這條路已經走了20多年。團隊的研究成果多次登上《自然》《科學》等期刊的封面,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。

  “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、中國科學院院士李振声的题字非常醒目。“如果能把个人兴趣跟国家需求相结合,实现自己的理想,又对别人有帮助,是件幸福的事。”傅向东说。

  帶著問題向前走

  今年2月初,傅向東團隊發現赤黴素信號傳導新機制提高水稻氮肥利用效率,這一研究成果登上《科學》封面,在業內引起很大關注。

  從克隆水稻氮高效基因NGR5,到基因功能驗證和後續分子機制解析,這項研究曆經10多年。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産量。

  早在2001年,師從英國皇家學會會員、牛津大學教授尼克·哈伯德時,傅向東就把目光聚焦于“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産量翻了一番。半個多世紀後,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,不僅沒有獲得想要的産量,而且還帶來了土壤酸化、湖泊汙染等環境問題,副作用日益突顯。

  “綠色革命”産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黴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、抗倒伏和高産特性,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”品種高産的基礎上,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蘖數?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,或許是最佳的選擇。

  做科研 很幸福

  機會來了。2005年,傅向東毅然回國,放棄了以前從事的擬南芥研究,轉而投入並不熟悉的水稻領域。

  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産性狀的關鍵基因,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,通過分子育種突破産量的“天花板”。

  經過10多年的探索,傅向東團隊的一些研究逐漸開花結果。在水稻增産方面,他們克隆了協同提高水稻産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産量增加的新株型基因NPT1等關鍵基因。在減少化肥施用方面,傅向東團隊找到了氮高效利用基因GRF4,從分子水平上爲破解“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。

  在此基礎上,傅向東團隊克隆了調控水稻分蘖和産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,可協同提高作物産量、光合作用和氮肥利用效率,爲突破“少投入、多産出、保護環境”育種瓶頸提供了具有重要應用價值的基因資源。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。

  這些成績讓我國水稻研究令世界矚目,傅向東先後被授予“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”“談家桢生命科學創新獎”等獎項。

  未來仍要倍加努力

  如果把十多年來獲得的全部優異等位基因疊加在一起,能讓水稻産量提高多少呢?傅向東坦言,目前實驗室裏做研究的産量很高,可以達到每畝800公斤到1000公斤,但實際生産中仍處于平均畝産四五百公斤的瓶頸。

  “産量是複雜性狀,不僅僅是靠遺傳因素決定的,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”,它們還要從土壤裏吸收更多的水分、礦物元素等。與此相對,我國北方地區存在水資源短缺、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,在不同環境下怎麽發揮模塊化的分子調控網絡的最大效應值,這是科學家或育種家應該更加關注的問題。

  但做科研免不了失败和挫折。有学生申请到他实验室做研究,傅向东曾“吓唬”他们道:“做科研苦,做农业科研更苦;而且五六年下来,不见得能发一篇論文。”他把“丑话说在前头”,是希望能够招到真正对科研感兴趣的人,这样的人遇到困难才会坚持下去。“发文章不是做科研追求的终极目标,认认真真去做一件事,做好了自然而然就会有文章。”他说。

  “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,但除了水稻,我國還有很多別的作物如玉米、小麥等的研究都有待提升。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。

  (原载于《中國科學报》 2020-05-20 第4版 综合)
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