在中国科学院分⼦植物科学卓越创新中⼼,有⼀⽀由10多名90后、00后组成的“最⿊”团队。他们的⽪肤颜⾊,普遍⽐其他研究⽅向的科研⼈员要深上2⾄3个⾊度。团队成员们往⽩墙前⼀站,清⼀⾊的⼩⻨肤⾊。“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。
2022年,他带领的这⽀团队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⻆。
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⻅⼀斑。⽟⽶蛋⽩每提⾼1%,能省下近800万吨⼤⾖。⽟⽶,是全球三⼤主要粮⻝之⼀,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⻓空间了。”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,⼤⾟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800万吨⼤⾟。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、起源于墨⻄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、⽆法⻝⽤,但它在野⽣⽣⻓、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⻓期悬⽽未决,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,专⻔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”,与普通农⺠的“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⻩永财从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。
⻩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,穿着⻓袖⻓裤,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⻩永财。
他从“拜师”开始,就靠“磨”。2015年,⻩永财为了加⼊巫永睿“⻔下”,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,⾃⼰回绝了⻩永财好⼏次,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。
”⻩永财告诉记者,当时三⼤主要粮⻝作物领域,⽔稻的研究已经相当充分,⼩⻨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,他们既有像⻩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⻝安全。”