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文｜《中國科學(xué)報(bào)》記者 李晨or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
為了找到一個(gè)關(guān)鍵基因，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授嚴(yán)建兵帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)測量了百萬級的數(shù)據(jù)信息；共同一作李文強(qiáng)從碩士生“小鮮肉”熬成了副教授“大叔”；共同一作余延輝更是讓妻子一起讀博，一起熬大夜，一起“受苦”……or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
在他們尚未解析這個(gè)關(guān)鍵基因背后的分子機(jī)制時(shí)，《細(xì)胞》雜志編輯偶然得知了這項(xiàng)研究，認(rèn)為其“對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義”并加以關(guān)注。or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
嚴(yán)建兵在海南南繁基地觀察玉米花粉。蔣朝常攝
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11月12日，《細(xì)胞》在線發(fā)表了嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)這篇論文，為打開籽粒脫水這扇大門找到了一把有效的鑰匙。他們鑒定到一個(gè)影響籽粒脫水的小肽microRPG1，這是玉米及其近緣種中特有的一種含31個(gè)氨基酸的新型小肽。它由非編碼序列起源，通過精確調(diào)節(jié)乙烯信號通路來控制籽粒脫水。該研究首次揭示了玉米籽粒脫水的分子機(jī)制，為快脫水宜機(jī)收玉米培育奠定重要基礎(chǔ)。or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
2011年，嚴(yán)建兵結(jié)束了5年海外學(xué)習(xí)和工作，回到華中農(nóng)業(yè)大學(xué)組建實(shí)驗(yàn)室。彼時(shí)，我國玉米機(jī)械化收獲起步不久，在科研立項(xiàng)資助中，籽粒脫水還沒有得到重視。 但是，嚴(yán)建兵根據(jù)自己在國外科研的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)感到玉米籽粒能否快速脫水將成為影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。 適合機(jī)械化收獲的玉米籽粒含水量在15%至25%之間，但我國大多數(shù)玉米品種在收獲時(shí)的含水量通常在30%至40%之間?？刻镩g長時(shí)間站稈脫水可以讓玉米籽粒含水量達(dá)到機(jī)收要求，例如在美國，由于耕地面積充足，不需要采用輪作，所以能夠田間長時(shí)間站稈脫水后用機(jī)械收獲，從而直接得到一顆顆玉米籽粒。然而，我國大部分玉米種植區(qū)都采取輪作制度。 “收完玉米馬上要種下一茬作物，例如黃淮海地區(qū)要馬上種冬小麥，及時(shí)搶奪熱量，否則會嚴(yán)重影響小麥?zhǔn)粘??！眹?yán)建兵說。東北玉米種植區(qū)的成熟玉米也需要快速脫水，否則遇到霜凍或溫度過低，水分無法降到機(jī)收需求的水平，這導(dǎo)致玉米機(jī)收后還要額外晾曬或烘干，增加了不少人工和運(yùn)輸成本。 要想在我國實(shí)現(xiàn)玉米籽粒機(jī)械化收獲，回答玉米籽粒脫水的科學(xué)道理，可以幫助培育出快脫水宜機(jī)收品種。迄今為止，控制籽粒脫水速率這一性狀的基因很少被克隆，其潛在機(jī)制尚不清楚，這是難以通過遺傳改良培育快脫水宜機(jī)收玉米品種的根本原因。 “玉米籽粒含水量屬于典型的數(shù)量性狀遺傳，控制其性狀的基因很多，而且其實(shí)際脫水速率受環(huán)境影響非常大，測定表型的方法非常繁瑣?！睘榇耍瑖?yán)建兵團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)被國內(nèi)外同行廣泛使用的玉米關(guān)聯(lián)群體和多個(gè)連鎖群體，并在全國五個(gè)典型環(huán)境布置田間試驗(yàn)。 嚴(yán)建兵說，玉米籽粒能否快速脫水是一個(gè)產(chǎn)業(yè)問題，相關(guān)研究必須在大田里進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)室里做出來的結(jié)果可能難以解決產(chǎn)業(yè)實(shí)際問題。 2013年，這項(xiàng)工作正式開啟，嚴(yán)建兵把這個(gè)難題交給了他的第一屆碩博連讀生李文強(qiáng)。or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
李文強(qiáng)
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從不情愿接手到成為“時(shí)間管理大師”
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“表型難取。”2021年4月，李文強(qiáng)發(fā)完這條朋友圈幾天后，離開海南三亞基地，回到了武漢。那是他的博士后第三年。幾年間，他和師弟師妹們因?yàn)樽鲞@個(gè)課題，測量了百萬級別的數(shù)據(jù)。 在旁人看來，測表型數(shù)據(jù)對李文強(qiáng)來說應(yīng)該是駕輕就熟的事情。但他還是忍不住發(fā)了這樣一條朋友圈。 “我也記不清當(dāng)時(shí)具體是什么實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。都過去了?！彼呐笥讶τ涗浟斯ぷ髦械暮芏喔形?，當(dāng)他“厭煩”了天天下地干活的日子，偶爾也會發(fā)發(fā)“牢騷”，不過“心大”的他過一陣子都記不清了。 “我一開始并不想做水分問題，想在實(shí)驗(yàn)室里做做數(shù)據(jù)分析。那時(shí)候水分問題不受重視，沒人做水分研究。嚴(yán)老師可能是最早關(guān)注這個(gè)問題的?！崩钗膹?qiáng)雖然不情愿，但還是接受了。“我這個(gè)人有一種執(zhí)念，認(rèn)準(zhǔn)以后就一定要干下去。”or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
嚴(yán)建兵和李文強(qiáng)在海南 ?or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
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田間測量的日子，不是日曬就是雨淋。為了拿到真實(shí)的大田數(shù)據(jù)，他們借用木材測定水分的儀器，現(xiàn)場測量和記錄玉米籽粒的含水量。 “我們同時(shí)進(jìn)行人工授粉，大概授粉后30天開始第一次測量。每個(gè)玉米棒子上取三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測兩次取平均值記為一個(gè)數(shù)據(jù)。一天最多可以測200行1000株玉米，6天后再來一遍。由于實(shí)驗(yàn)面積很大，所以實(shí)際上每天都在地里重復(fù)同樣的動作?！崩钗膹?qiáng)說，這樣獲取的數(shù)據(jù)要保證整齊性，統(tǒng)計(jì)的時(shí)候往往只有一半數(shù)據(jù)用得上。 由于是多年多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)點(diǎn)測完了就要馬不停蹄地趕往下一個(gè)點(diǎn)。李文強(qiáng)幾乎每天都在出差，海南、吉林、武漢……田間工作不能誤農(nóng)時(shí)，什么時(shí)間去什么地方授粉、測數(shù)據(jù)，他像個(gè)“時(shí)間管理大師”，都安排得嚴(yán)絲合縫。 即便在三年新冠疫情期間出行不便，李文強(qiáng)也沒有中斷這種天天出差的日子。2021年秋季，他在吉林的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)待了3個(gè)月?！澳且荒甑臄?shù)據(jù)特別好?！彼形绮换厮奚岢燥?，每天帶著面包和火腿腸在地里干活，餓了就吃一口。 十幾年來，他擔(dān)負(fù)起了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的田間管理事務(wù)，每年都是第一個(gè)到達(dá)海南，最后一個(gè)離開。他的微信頭像一直沒變，是他研二時(shí)在田間看材料的一張照片。“我的同事給我拍的，我覺得拍得很好。留著，紀(jì)念一下年輕時(shí)候的我?！崩钗膹?qiáng)說。 “嚴(yán)老師會問每一個(gè)想考他的研究生的學(xué)生一個(gè)問題：你的夢想是什么？”2015年，余延輝保研，嚴(yán)建兵和他面談時(shí)，也問了這個(gè)問題。“我的回答是做科研?！? 余延輝立馬喜歡上了這個(gè)團(tuán)隊(duì)?！皣?yán)老師是一個(gè)有夢想、有激情的人，他非常有信心。實(shí)驗(yàn)室的氛圍輕松活潑，但每個(gè)人都充滿了斗志，是一群奮斗的小伙伴?！? 余延輝跟著師兄李文強(qiáng)開始種玉米、測表型。他主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。2018年春，他終于定位到四個(gè)影響籽粒脫水的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）。其中一個(gè)主效位點(diǎn)QTL-qKDR1是一段不編碼任何蛋白也不轉(zhuǎn)錄的DNA序列，但是將其敲除后，能導(dǎo)致籽粒脫水速率顯著降低。 嚴(yán)建兵猜測，這個(gè)主效位點(diǎn)可能是一個(gè)調(diào)控因子，調(diào)控了某個(gè)基因的功能。但是要找到這個(gè)基因卻非常困難。接下來的工作就像在一個(gè)巨大的黑暗空間里尋找一個(gè)目標(biāo)，不知道它在哪里、長什么樣子。 經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，余延輝放棄了在龐大的玉米轉(zhuǎn)錄組里比對信息，而是直接在主效位點(diǎn)前后10kb的位置尋找轉(zhuǎn)錄活性高的序列。他居然發(fā)現(xiàn)了一段能表達(dá)31個(gè)氨基酸的小肽基因RPG。 但是那時(shí)候，人們對小于100個(gè)氨基酸的小肽還沒有太多了解，甚至懷疑這類小肽有沒有蛋白質(zhì)的功能。當(dāng)余延輝在組會上提出RPG可能就是他們要尋找的目標(biāo)基因時(shí)，由于證據(jù)不足而不被認(rèn)可。 “那時(shí)候每一步必須確保無誤，否則后面的工作可能就白做了?！庇嘌虞x的分析工作陷入了困境。 2020年1月，余延輝遇到了他一生中最重要的人?！败降某霈F(xiàn)讓我的工作迎來了前所未有的春天?！眲④绞钦撐牡牡谌蛔髡撸彩怯嘌虞x的妻子。 劉塬方那時(shí)是另外一個(gè)課題組的碩士生。余延輝對她一見鐘情，盡管在武漢暴發(fā)的新冠疫情將他倆分開了5個(gè)月，但他們認(rèn)識8個(gè)月后就閃婚了。 別人談戀愛都是風(fēng)花雪月，他倆談戀愛談的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、土壤改良；別人的婚后生活是柴米油鹽醬醋茶，他倆的婚后生活是一起熬大夜做實(shí)驗(yàn)、拍照片、分析數(shù)據(jù)。2021年，劉塬方成為了嚴(yán)建兵的博士生?！芭阄乙黄饋怼芸唷?。”余延輝說。or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
余延輝和劉塬方的全家福 ?or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
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每當(dāng)余延輝受不了壓力、特別沮喪想要放棄的時(shí)候，劉塬方就說，我們不要期待能做出什么結(jié)果，就認(rèn)認(rèn)真真地做這個(gè)工作就好了；每當(dāng)劉塬方分析不出來數(shù)據(jù)結(jié)果、生悶氣的時(shí)候，余延輝就夸她聰明，肯定能做成功，只要多花一點(diǎn)時(shí)間去學(xué)習(xí)就可以了。 就這樣，兩個(gè)人彼此支持，從來沒有因?yàn)榭蒲泄ぷ鞒尺^一次架，熬完大夜去食堂吃頓好的，然后各自回宿舍蒙頭大睡。 就在余延輝和劉塬方繼續(xù)尋找證據(jù)時(shí)，一天深夜，嚴(yán)建兵的腦海中突然浮現(xiàn)出那段小肽的序列?；秀敝g，他感到這段序列似乎能和乙烯通路上的一些蛋白質(zhì)遙相呼應(yīng)。他猛然醒悟，這個(gè)小肽可能是通過乙烯途徑影響脫水性狀的。 “但是小肽不穩(wěn)定，它和別的蛋白質(zhì)不一樣。如果把普通蛋白質(zhì)看作是大人，小肽就像一個(gè)小孩。大人去拉大人，當(dāng)然好拉動，但是小孩要拉動一個(gè)大人就難了?！庇嘌虞x說，每次嘗試做小肽的蛋白質(zhì)互作實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果都不一樣，這是讓他最崩潰的地方。 就在那段時(shí)間，《細(xì)胞》雜志編輯在一次學(xué)術(shù)活動上偶然聽到嚴(yán)建兵介紹這項(xiàng)工作。他表示這種解決產(chǎn)業(yè)問題的研究是《細(xì)胞》雜志現(xiàn)在非常關(guān)注的，并鼓勵(lì)嚴(yán)建兵把分子機(jī)制搞清楚，歡迎他投稿給《細(xì)胞》。 2021年，劉塬方讀到《細(xì)胞—癌癥》雜志上的一篇論文，并在組會上分享，給了團(tuán)隊(duì)一個(gè)柳暗花明的啟發(fā)。那篇論文提到一個(gè)小肽50個(gè)氨基酸組成的，可以通過轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游蛋白質(zhì)互作。 “原來可以這樣！”余延輝馬上開始在轉(zhuǎn)錄組中尋找小肽的調(diào)控對象。很快，他證明RPG就是qKDR1調(diào)控的目標(biāo)基因，兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到qKDR1而抑制RPG的表達(dá)。or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
嚴(yán)建兵和余延輝、劉塬方在討論問題。湖北日報(bào)記者朱熙勇拍攝 ?or8即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
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RPG在玉米基因組中尚未被注釋，是一個(gè)全新的基因。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明RPG通過編碼一段31個(gè)氨基酸的小肽發(fā)揮功能，并將這個(gè)小肽命名為microRPG1。敲除microRPG1可加快脫水速率，超表達(dá)則顯著降低脫水速率。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)microRPG1可能通過調(diào)控乙烯信號途徑中的關(guān)鍵基因表達(dá)而影響脫水。由于RPG在玉米籽粒灌漿基本結(jié)束后表達(dá)，既可以促進(jìn)籽粒的快速脫水，又不影響產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和脫水的平衡。這一發(fā)現(xiàn)也為下一步籽粒脫水的精準(zhǔn)調(diào)控提供了新思路。 “microRPG1和任何已知的小肽都不同源，在其他物種中也未被鑒定到，是玉蜀黍?qū)偬赜械模淦鹪词且粋€(gè)值得探究的問題?！眲④降墓ぷ靼l(fā)現(xiàn)，該小肽僅在玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒僦写嬖谕葱蛄?，在禾本科的其他成員中沒有。 雖然相似的序列存在于摩擦禾屬中，但缺乏起始密碼子，不能翻譯，無法行使功能。在玉蜀黍中，一個(gè)核苷酸（ACG到ATG）的突變產(chǎn)生了新的起始密碼子，導(dǎo)致一段非編碼序列起始翻譯，產(chǎn)生了一個(gè)新基因。該突變可能發(fā)生在65萬年前，玉蜀黍?qū)俸湍Σ梁虒俜只蟆? “這個(gè)發(fā)現(xiàn)給了我很大的啟發(fā)，這為新基因的起源提供了一個(gè)新的范例，也為從頭創(chuàng)造新基因提供了方向?！眹?yán)建兵說。 李文強(qiáng)說，多年多點(diǎn)的試驗(yàn)表明，敲除microRPG1可使收獲時(shí)的籽粒含水量平均下降7%，同時(shí)其他農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀沒有明顯變化。他們分析了數(shù)百份具有代表性的玉米種質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的材料都存在RPG基因，意味著操縱RPG來改變籽粒脫水速率培育宜機(jī)收的品種具有巨大的應(yīng)用潛力。 嚴(yán)建兵從研究的第一天開始就在琢磨如何讓研究成果能夠應(yīng)用，依托湖北洪山實(shí)驗(yàn)室這個(gè)新型的研究平臺，他們采取了邊研究、邊開發(fā)、邊應(yīng)用的思路。在剛看到基因有應(yīng)用前景的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)就布局了多個(gè)專利，并和一家新型的生物技術(shù)公司未米生物深度合作，建立了風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、利益共享的產(chǎn)學(xué)研融通的合作模式。 https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
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