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傅向东:让水稻少“吃”肥料多打粮

2020-05-20 中国科学报 冯丽妃
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傅向东 王之康摄

  说起中国科学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”。

  这与傅向东的研究方向——赤霉素不无关系。这种可调控水稻养分吸收、影响水稻产量的激素的英文缩写正是“GA”。让水稻少“吃”肥料多打粮,傅向东沿着这条路已经走了20多年。团队的研究成果多次登上《自然》《科学》等期刊的封面,助推我国水稻研究走向国际前沿。他们的很多研究成果还被育种学家采用,从实验室走进了田间,丰实了一方粮囤。

  “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、中国科学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。

  带着问题向前走

  今年2月初,傅向东团队发现赤霉素信号传导新机制提高水稻氮肥利用效率,这一研究成果登上《科学》封面,在业内引起很大关注。

  从克隆水稻氮高效基因NGR5,到基因功能验证和后续分子机制解析,这项研究历经10多年。它让人们了解了水稻如何感知和响应土壤氮肥含量变化,进而调控水稻株型和产量。

  早在2001年,师从英国皇家学会会员、牛津大学教授尼克·哈伯德时,傅向东就把目光聚焦于“绿色革命”的分子机制。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”,让全世界水稻和小麦产量翻了一番。半个多世纪后,带着“绿色革命”烙印的半矮秆水稻、小麦却给农学专家带来了新的困扰。农民大量施肥,不仅没有获得想要的产量,而且还带来了土壤酸化、湖泊污染等环境问题,副作用日益突显。

  “绿色革命”产量增加和氮肥利用效率降低之间有没有关联性呢?当时科学界尚无答案。带着这个问题,傅向东通过实验证明了半矮化农作物品种中赤霉素信号途径的阻遏因子DELLA蛋白积累较高,使得农作物具有耐高肥、抗倒伏和高产特性,但同时伴随着氮肥利用效率下降。研究结果受到极大关注,哈伯德称其“不可思议”。

  一个问题被解开了,等待着傅向东的是更多的问题。能不能在“绿色革命”品种高产的基础上,提高氮肥利用效率?在减少施肥条件下,如何提高每株水稻的穗粒数和分蘖数?傅向东突然意识到,如果把自己的科研兴趣和国家需求结合起来,再从中找到有意思、有挑战性的科学问题,或许是最佳的选择。

  做科研 很幸福

  机会来了。2005年,傅向东毅然回国,放弃了以前从事的拟南芥研究,转而投入并不熟悉的水稻领域。

  傅向东一方面从中国大面积种植的“超级稻”中挖掘和克隆影响水稻高产性状的关键基因,另一方面寻找适宜的突变基因。他的目标很明确:超越“绿色革命”,降低农业高肥耗,通过分子育种突破产量的“天花板”。

  经过10多年的探索,傅向东团队的一些研究逐渐开花结果。在水稻增产方面,他们克隆了协同提高水稻产量和氮肥利用效率的直立穗基因DEP1,找到了能够让水稻穗粒数和产量增加的新株型基因NPT1等关键基因。在减少化肥施用方面,傅向东团队找到了氮高效利用基因GRF4,从分子水平上为破解“绿色革命”矮秆育种带来的氮肥利用效率下降的育种难题给出了明确的解决方案。

  在此基础上,傅向东团队克隆了调控水稻分蘖和产量性状响应土壤氮素水平变化的关键基因NGR5。他们将优异等位基因GRF4和NGR5叠加,可协同提高作物产量、光合作用和氮肥利用效率,为突破“少投入、多产出、保护环境”育种瓶颈提供了具有重要应用价值的基因资源。傅向东团队还跟国内农业大学、农科院以及种业公司合作,把新发现的优异等位基因应用到育种实践中。

  这些成绩让我国水稻研究令世界瞩目,傅向东先后被授予“第十一届中国青年科技奖”“大北农科技奖”“全国优秀科技工作者”“中青年科技创新领军人才”“谈家桢生命科学创新奖”等奖项。

  未来仍要倍加努力

  如果把十多年来获得的全部优异等位基因叠加在一起,能让水稻产量提高多少呢?傅向东坦言,目前实验室里做研究的产量很高,可以达到每亩800公斤到1000公斤,但实际生产中仍处于平均亩产四五百公斤的瓶颈。

  “产量是复杂性状,不仅仅是靠遗传因素决定的,还有很多环境因素的限制。”他举例说,全球升温会提高植物光合作用,促进植物生长发育。但植物像人一样“不光吃素还要吃肉”,它们还要从土壤里吸收更多的水分、矿物元素等。与此相对,我国北方地区存在水资源短缺、化肥使用过量等问题,要解决这些问题,又面临一个个新的挑战。

  “环环相扣,这就是遗传学研究的魅力。”傅向东说,在不同环境下怎么发挥模块化的分子调控网络的最大效应值,这是科学家或育种家应该更加关注的问题。

  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,不见得能发一篇论文。”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。

  “在水稻功能基因组学研究方面,中国已经走在国际前沿。”傅向东说,但除了水稻,我国还有很多别的作物如玉米、小麦等的研究都有待提升。所以,国际科学交流仍十分重要,只有在别人基础上以人之长补己之短,才能实现弯道超车。

  (原载于《中国科学报》 2020-05-20 第4版 综合)
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