33歲轉(zhuǎn)專(zhuān)業(yè),37歲換作物;
分子生物學(xué)跟老婆學(xué)的,遺傳學(xué)跟學(xué)生學(xué)的;
不愛(ài)出差開(kāi)會(huì),一天不讀文獻(xiàn)不舒服;
清晨6點(diǎn)45就趕到實(shí)驗(yàn)室,中午從來(lái)不休息,每天工作11個(gè)小時(shí)……
今年50歲的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)作科所)研究員李文學(xué),頭發(fā)幾乎全白,但眼神里始終透露出少年的朝氣。
20年前,他為了探究一個(gè)問(wèn)題開(kāi)始了科研長(zhǎng)跑。12月8日,《科學(xué)》發(fā)表了李文學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)完成的最新成果,他們鑒定到調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因,首次解析了其分子機(jī)制,有望培育出籽粒富鐵的玉米新品系。
前兩天,自認(rèn)有點(diǎn)“社恐”的李文學(xué)不得不忙著“社交”,甚至打破了每日必讀三四篇文獻(xiàn)的習(xí)慣。
李文學(xué)(左二)和團(tuán)隊(duì)成員查看育苗情況。王一鳴攝
33歲轉(zhuǎn)專(zhuān)業(yè),“偶遇”生物學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題
“不讀文獻(xiàn)就會(huì)覺(jué)得心里空落落的,因?yàn)槟茏x到的文獻(xiàn)其實(shí)已經(jīng)是別人幾年前做的工作。很擔(dān)心自己被落下?!崩钗膶W(xué)的習(xí)慣起始于20多年前還在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國(guó)工程院院士張福鎖實(shí)驗(yàn)室讀博期間。
那時(shí)候他是植物營(yíng)養(yǎng)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,可心里老是想著怎么能夠轉(zhuǎn)到生物學(xué)專(zhuān)業(yè)?!皬谋究破鹁吞貏e向往學(xué)生物學(xué),那時(shí)候說(shuō)‘21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)’??墒歉呖挤植粔?,分到了土壤與農(nóng)化專(zhuān)業(yè)?!辈贿^(guò),他也老老實(shí)實(shí)地打土鉆、取土樣,一絲不茍地跟著課題組研究土壤里的元素如何與根系互作,導(dǎo)師交代的工作竭盡全力做到最好。
“張老師那時(shí)候已經(jīng)關(guān)注到了微量元素的生理機(jī)制問(wèn)題?!?000年,李文學(xué)為了從事相關(guān)研究,開(kāi)始自學(xué)分子生物學(xué),學(xué)微生物的妻子成了他的老師。他默默地啃書(shū)本、讀文獻(xiàn),惡補(bǔ)生物學(xué)。
2003年,李文學(xué)回到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工作,開(kāi)始研究玉米、花生間作體系中缺鐵脅迫的應(yīng)答機(jī)制。在實(shí)際研究中,他開(kāi)始思考一個(gè)問(wèn)題:微量元素究竟如何進(jìn)入作物籽粒?
微量元素對(duì)生命體而言不可或缺。微量元素如何在植物體內(nèi)傳遞,并進(jìn)入和儲(chǔ)存在籽粒之中,一直是懸而未決的難題。“我當(dāng)時(shí)就感覺(jué)這是一個(gè)非常重要的生物營(yíng)養(yǎng)學(xué)問(wèn)題。”可李文學(xué)并沒(méi)有想過(guò)自己在20年后能找到這個(gè)問(wèn)題的答案。
在張福鎖的支持下,2006年,李文學(xué)到著名生物學(xué)家朱健康當(dāng)時(shí)在美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室公派訪學(xué),正式轉(zhuǎn)到了分子生物學(xué)研究的道路上。那一年,他已經(jīng)33歲。
“朱老師那時(shí)候說(shuō)我太拼了?!崩钗膶W(xué)每天“朝七晚九”,中午吃飯只給自己30分鐘時(shí)間,周末也不休息。實(shí)驗(yàn)室里所有老師和學(xué)生都是他學(xué)習(xí)求教的對(duì)象?!拔抑皇窍?,能在朱老師這里系統(tǒng)學(xué)習(xí)分子生物學(xué),搞生物學(xué)的研究,對(duì)我來(lái)說(shuō)太幸福了,我要抓緊一點(diǎn)一滴的時(shí)間?!?/p>
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累,李文學(xué)開(kāi)始在花生、玉米間套作中微量元素的根際互作領(lǐng)域發(fā)表論文,這在當(dāng)時(shí)已屬于前沿課題。
與此同時(shí),李文學(xué)開(kāi)始利用模式植物擬南芥研究植物體內(nèi)微量元素的運(yùn)輸和分布問(wèn)題。這為后來(lái)他在玉米籽粒中尋找微量元素奠定了基礎(chǔ)。
從擬南芥到玉米,不容易!
“我這個(gè)人其實(shí)只適合搞科研。”不論是微信、電話,還是面對(duì)面,李文學(xué)常常用這句話作為開(kāi)場(chǎng)白。他笑稱(chēng)自己是“社恐”——和陌生人打交道的時(shí)候喜歡往后退,還沒(méi)等對(duì)方拒絕自己就想打退堂鼓了。
可是一提起課題的事,他就兩眼放光,講得頭頭是道、津津有味。他覺(jué)得自己的性格很適合搞科研,能靜下心,也能深究,不會(huì)輕言放棄。
2010年10月,他來(lái)到作科所,和比他早兩個(gè)月到崗的課題組組長(zhǎng)徐云碧研究員聯(lián)手建立實(shí)驗(yàn)室時(shí),心中有一個(gè)目標(biāo):研究平臺(tái)絕不能比美國(guó)差。他們深知,建好實(shí)驗(yàn)室對(duì)今后科研工作出成果的重要性。
儀器、材料,采購(gòu)、布置,李文學(xué)都是親力親為,終于慢慢搭建好了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),也正式開(kāi)始了玉米研究。剛開(kāi)始還沒(méi)有學(xué)生,所有實(shí)驗(yàn)只能自己做,甚至有了學(xué)生以后他還繼續(xù)親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)、寫(xiě)文章。
“李老師挺不容易,他剛來(lái)的時(shí)候做擬南芥,要轉(zhuǎn)到玉米上挺難的?!毙煸票汤蠋熣f(shuō)。
難就難在擬南芥是一個(gè)基因組非常簡(jiǎn)單、研究方法非常成熟易操作的模式植物,而玉米的基因組復(fù)雜很多,要應(yīng)用到更多遺傳學(xué)手段。
“什么是基因型?我曾經(jīng)在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上被問(wèn)住。玉米雜交實(shí)驗(yàn)要計(jì)算性狀分離的比例,我那時(shí)候總是算不清楚?!崩钗膶W(xué)不恥下問(wèn),把學(xué)生當(dāng)成了自己的老師。遺傳學(xué)經(jīng)典著作都認(rèn)真學(xué)完,有問(wèn)題就請(qǐng)教自己的學(xué)生?!昂芸炀透忝靼琢恕!?/p>
從擬南芥轉(zhuǎn)到玉米,這一年,他已經(jīng)37歲。
彼時(shí),玉米基因組被破解不久,相應(yīng)的基因組學(xué)技術(shù)還處在成本高昂的時(shí)期,要克隆出一個(gè)基因得花幾年時(shí)間。微量元素如何進(jìn)入玉米籽粒的機(jī)理研究,進(jìn)展緩慢。
盡管如此,李文學(xué)團(tuán)隊(duì)仍然在耐心收集玉米種質(zhì)材料。最終,他們從各地收集了幾百份玉米種質(zhì)材料,并篩選出273份,構(gòu)建了這個(gè)試驗(yàn)用玉米群體。
突破性進(jìn)展:兩個(gè)人的實(shí)驗(yàn)室
“來(lái)了李老師課題組以后,我們所有學(xué)生吃飯速度都變快了,就連女生中午去食堂吃飯來(lái)回只需要20分鐘。”論文第一作者、作科所博士后閆鵬帥2017年以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生的身份進(jìn)入李文學(xué)課題組,并接手了微量元素進(jìn)入玉米籽粒的課題。
那個(gè)時(shí)候,相關(guān)的基因組學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為完善,費(fèi)用也“平易近人”了。李文學(xué)感到這個(gè)課題可以快速推進(jìn)了。
閆鵬帥在李文學(xué)的指導(dǎo)下,分析了玉米群體里273份玉米籽粒的微量元素含量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵元素的分布呈現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布?!斑@意味著用這個(gè)群體很有可能找到一個(gè)調(diào)控鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的基因?!崩钗膶W(xué)知道,當(dāng)時(shí)還有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究微量元素進(jìn)入作物籽粒的機(jī)理,但他們構(gòu)建的玉米群體篩選出來(lái)的是銅、鉬等微量元素,沒(méi)有鐵。
鐵缺乏是一種“隱性饑餓”。全球大約有1/3人口受到缺鐵引起的貧血癥困擾。
根據(jù)第四次全國(guó)營(yíng)養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù),中國(guó)居民貧血患病率為20.1%,其中一半為缺鐵性貧血。
雖然服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善人的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況,但是成本較高,甚至存在副作用。
“如果能將日常食用作物的鐵含量提高,有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況?!崩钗膶W(xué)覺(jué)得這對(duì)于發(fā)展中國(guó)家意義尤其重大。
突破性進(jìn)展出現(xiàn)在閆鵬帥因?yàn)樾鹿诜窝滓咔槎粋€(gè)人留在實(shí)驗(yàn)室工作的那段日子里。
2020年大年三十,閆鵬帥從海南基地取了玉米材料回到北京,打算住一晚第二天回河南老家過(guò)年,過(guò)完寒假再做實(shí)驗(yàn)。
大年初一,因?yàn)樾鹿诜窝滓咔?,他留在了北京,此后三年他沒(méi)有回過(guò)老家,剛談上的師妹也變成了“網(wǎng)戀”女友。其他學(xué)生都提前回老家了,實(shí)驗(yàn)室里空無(wú)一人,只有李文學(xué)還是每天按部就班地到崗。
那段日子,師徒兩人徹底靜下心來(lái),他們每天做實(shí)驗(yàn),每天一起討論……閆鵬帥遇到難題的時(shí)候,李文學(xué)就從文獻(xiàn)里找靈感,向他推薦別人的思路和做法。然后他再一步一步去嘗試這些方法。
閆鵬帥早就習(xí)慣了李文學(xué)這樣“一對(duì)一”貼心輔導(dǎo)的猶如父親般的指導(dǎo)方式。漸漸地,實(shí)驗(yàn)中的癥結(jié)顯露出來(lái),解決問(wèn)題的辦法越來(lái)越清晰。
“我們往前走了一小步,所以找到了答案?!崩钗膶W(xué)讓閆鵬帥從正態(tài)分布曲線上選取鐵含量最高和最低的三個(gè)玉米籽粒材料,一個(gè)一個(gè)地進(jìn)行RNA測(cè)序,而不是把它們混合在一起測(cè)序。
“那天我拿到報(bào)告,初步鎖定了一個(gè)參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因。”閆鵬帥非常興奮。
李文學(xué)也感到前所未有的振奮。他后來(lái)回憶說(shuō),這種感覺(jué)即便在得知論文被接收的時(shí)候也沒(méi)再出現(xiàn)。
他們進(jìn)一步解析了候選基因ZmNAC78如何幫助鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子路徑。為了探索該基因在育種上的應(yīng)用,他們?cè)诓煌琾H值的土壤里分別進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良候選基因的玉米籽粒鐵含量比對(duì)照組平均高出25.82% ~ 33.91%,并且所選育的玉米材料也顯著高于國(guó)內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5 毫克的籽粒平均鐵含量。
富鐵玉米:解決“隱性饑餓”的新選擇
2022年,李文學(xué)開(kāi)始坐在電腦前寫(xiě)這篇論文。
“我當(dāng)時(shí)真的非常心靜。”他很清楚自己要寫(xiě)一篇什么樣的文章,投稿目標(biāo)期刊是一本高影響因子的子刊。
3個(gè)月后,他寫(xiě)好了第一稿。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授儲(chǔ)成才讀完初稿后,建議他要多從期刊編輯的角度看問(wèn)題。一個(gè)月后,李文學(xué)拿出了更滿(mǎn)意的版本。
于是他把論文投給了《科學(xué)》雜志。第6天晚上,李文學(xué)收到了編輯的回信,要求他們提供論文的word版本?!坝袘颍 ?0點(diǎn),李文學(xué)給編輯回了郵件。第二天他們就收到了論文送審的答復(fù)。
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的修改和忐忑不安,他們終于得到了論文被接受的消息。論文評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為,鐵進(jìn)入作物籽粒的路徑幾乎是完全未知的,他們的結(jié)果首次解析了該過(guò)程。
儲(chǔ)成才得知這一消息后說(shuō),作為一個(gè)長(zhǎng)期從事植物養(yǎng)分及資源高效利用研究的科學(xué)家,感到非常高興。這一成果不僅為培育高產(chǎn)與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同作物新品種提供了基因資源,也為解決缺鐵性貧血這一“隱性饑餓”的世界難題提供了新的解決方案,意義重大。
長(zhǎng)期關(guān)注分子育種的徐云碧研究員認(rèn)為,這項(xiàng)成果已經(jīng)應(yīng)用了分子育種技術(shù),是他所了解的基礎(chǔ)研究里跟應(yīng)用結(jié)合得非常密切的一個(gè)項(xiàng)目。
李文學(xué)第一時(shí)間給張福鎖發(fā)了一條微信:“我今天終于敢向您匯報(bào)我的工作了。”
張福鎖很快回了微信?!袄蠋熣f(shuō):感謝你一直以來(lái)的堅(jiān)持不懈;感謝你解決了鐵元素如何進(jìn)入玉米籽粒這一懸而未決的植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)難題,祝賀你?!崩钗膶W(xué)說(shuō),他們已經(jīng)利用傳統(tǒng)育種手段培育出了富鐵玉米新材料,有望為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問(wèn)題提供新的選擇。
李文學(xué)和他的團(tuán)隊(duì)又恢復(fù)了往常的工作節(jié)奏?!斑@些才是我熟悉的東西?!彼f(shuō)。
團(tuán)隊(duì)成員在海南玉米基地工作。受訪者供圖
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1126/science.adf3256