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2016年，黃學(xué)輝加入上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，從頭開(kāi)始組建植物數(shù)量遺傳學(xué)團(tuán)隊(duì)。當(dāng)時(shí)，黃學(xué)輝腦中已經(jīng)有了一張“圖紙”，他要解決一個(gè)基礎(chǔ)的遺傳學(xué)問(wèn)題——水稻的不同性狀受到哪些基因的調(diào)控。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“我們預(yù)想到了研究中可能會(huì)遇到的困難，也知道短期內(nèi)無(wú)法取得想要的成果。但我們都認(rèn)為，這是一件非常有意義的事情，所以就咬牙開(kāi)始做了。”黃學(xué)輝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

此后8年間，黃學(xué)輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，從涵蓋全球栽培稻主要遺傳亞群的16份品系出發(fā)，構(gòu)建了包含18421個(gè)穩(wěn)定純合的水稻“混血雜交”群體。這一獨(dú)特的群體不僅具有完全清晰的遺傳背景，而且打破了水稻自然群體中明顯的遺傳結(jié)構(gòu)分群。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)對(duì)全部株系進(jìn)行了精細(xì)的基因型分析和表型測(cè)量，定位到控制16個(gè)重要農(nóng)藝性狀的96個(gè)高置信候選基因。這項(xiàng)研究為水稻遺傳研究提供了重要的材料和數(shù)據(jù)資源，并為水稻分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)。日前，這一研究在Science上線。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

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Science截圖Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

水稻是全球最重要的糧食作物，也是植物遺傳學(xué)研究的模式物種。長(zhǎng)久以來(lái)，全球范圍內(nèi)的育種專家們都試圖采用不同方法，提高水稻的產(chǎn)量品質(zhì)和抗病性。近年來(lái)，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）等方法，科學(xué)家們已經(jīng)在水稻等作物中鑒定出許多與農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的基因，而這也為后續(xù)的育種改良提供了更多切入點(diǎn)。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

最早關(guān)注這個(gè)問(wèn)題的人，可以追溯到200多年前的孟德?tīng)枴Ｋ_(kāi)展的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)為遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)。但孟德?tīng)栮P(guān)注的幾個(gè)性狀都比較特殊，只有兩個(gè)選項(xiàng)：豆粒飽滿或者褶皺，開(kāi)紫花或者開(kāi)白花……Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

然而絕大多數(shù)時(shí)候都沒(méi)這么簡(jiǎn)單。比如，人們的身高、體重、對(duì)疾病的抵抗能力，都呈現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的特點(diǎn)，遠(yuǎn)不是非黑即白。這意味著，同一個(gè)生物學(xué)特征受多個(gè)基因共同調(diào)控，最終呈現(xiàn)出一個(gè)綜合的效果。同樣的，水稻基因和性狀之間，也不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

早在中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院讀博和工作期間，黃學(xué)輝就開(kāi)展了系列工作：2010年，他在植物中開(kāi)發(fā)出了全基因組關(guān)聯(lián)分析的方法體系；2012年，他利用446份野生稻和1083份栽培稻，鑒定出了55個(gè)馴化基因位點(diǎn)……Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

其間，黃學(xué)輝開(kāi)發(fā)了一套快速構(gòu)建遺傳群體基因型圖譜的方法，能夠?qū)⒆魑锏幕蛐秃捅硇吐?lián)系起來(lái)，進(jìn)而捕捉控制性狀的對(duì)應(yīng)基因。“但是使用這套方法時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)性狀定位到的基因并不完整。結(jié)合文獻(xiàn)中的分析判斷，我們認(rèn)為應(yīng)該是植物的群體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。”Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

正如人類中有歐裔、非裔、亞裔等，人們很容易根據(jù)外貌特點(diǎn)來(lái)判斷這個(gè)人是亞洲人還是歐洲人。但如果只是單獨(dú)去看某一類群，則無(wú)法全面了解不同類群之間存在性狀差異的原因，同時(shí)也難以檢測(cè)基因之間的遺傳互作效應(yīng)。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

類似地，水稻也有不同類群，其中差異還很大。為了捕捉水稻不同類群之間的差異，黃學(xué)輝團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并創(chuàng)制了各種各樣的“混血”類群，把不同的水稻栽培種的群體結(jié)構(gòu)充分打散。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

這項(xiàng)研究涉及農(nóng)學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，同時(shí)需要處理海量的材料和數(shù)據(jù)。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

黃學(xué)輝先畫(huà)了一張?jiān)敿?xì)的“攻關(guān)路線圖”，把這個(gè)大課題劃分為遺傳、分子生物學(xué)和數(shù)據(jù)分析3大塊，再進(jìn)一步細(xì)化每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的主要工作、每個(gè)環(huán)節(jié)可能遇到的問(wèn)題，一步步攻克。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

項(xiàng)目開(kāi)始的最初半年間，實(shí)驗(yàn)室正在裝修，連浸泡水稻種子的盤(pán)子都沒(méi)有。他們就向其他實(shí)驗(yàn)室借用槍頭盒用來(lái)浸種，又借來(lái)育秧盆種水稻。DNA建庫(kù)測(cè)序費(fèi)用高昂，團(tuán)隊(duì)就從制備測(cè)序所需的酶開(kāi)始，摸索了一套高通量、低成本的技術(shù)方案。數(shù)據(jù)分析中遇到瓶頸，團(tuán)隊(duì)反復(fù)嘗試不同方法，請(qǐng)教了國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域內(nèi)的大量專家……Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“我們類似于做了一本水稻性狀的詞典?！秉S學(xué)輝解釋，“比如我們想了解水稻抽穗期相關(guān)的基因，我們就可以翻到對(duì)應(yīng)的頁(yè)碼進(jìn)行查閱。如果這里的某個(gè)基因和另一個(gè)性狀相關(guān)，那就再翻到對(duì)應(yīng)的基因頁(yè)碼了解更多細(xì)節(jié)?！?span style="display:none">Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

為了讓這本“詞典”更好用，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為RiceG2G的工具，可以快速捕捉相關(guān)性狀的候選基因，為挖掘水稻優(yōu)良基因提供參考。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

貫穿這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵詞，就是“種地”。為了加快培育“混血雜交”水稻群體，同時(shí)考察不同生態(tài)區(qū)對(duì)這個(gè)群體生長(zhǎng)的影響，團(tuán)隊(duì)每年在上海和海南兩地種植水稻。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“上海這邊，楊仲南院長(zhǎng)幫我們?cè)谏虾７钯t找了一塊農(nóng)田。海南這邊，是我們挨家挨戶敲門(mén)談下來(lái)的。”論文第一作者、上海師范大學(xué)教授魏鑫說(shuō)道，“當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)戶對(duì)于科研其實(shí)不陌生。很多科學(xué)家在南繁基地試驗(yàn)的成果，最后都變成了新的農(nóng)作物品種，服務(wù)于國(guó)家發(fā)展。所以當(dāng)了解到我們借用土地的目的后，他們?cè)敢夂臀覀儨贤ǎ瑥亩⒘碎L(zhǎng)期密切的合作關(guān)系。”Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

十幾畝土地被劃分成一個(gè)個(gè)20厘米乘20厘米的小格子。每個(gè)格子里種一份單獨(dú)的材料，而每一代都要種植幾萬(wàn)份材料。魏鑫帶著學(xué)生，持續(xù)8年時(shí)間往返于上海和海南。每年10月，在奉賢收種子并馬上整理，趕在11月初運(yùn)往海南崖州播種；來(lái)年3月底，再赴崖州收種、運(yùn)回上海，趕在5月中旬在奉賢進(jìn)行新一輪播種。在極端高溫時(shí)下田插秧、在臺(tái)風(fēng)暴雨天搶收種子，對(duì)他們而言，都是司空見(jiàn)慣的事。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

水稻群體構(gòu)建完成后，緊接著便是持續(xù)兩年多的大規(guī)模性狀調(diào)查、大數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

所謂性狀調(diào)查，就是指對(duì)生物體的形態(tài)特征、生理特征和行為方式等進(jìn)行系統(tǒng)性的觀測(cè)和記錄，以了解其遺傳規(guī)律和表現(xiàn)型差異。在這個(gè)項(xiàng)目中，就是需要觀察記錄幾萬(wàn)份材料的16個(gè)重要農(nóng)藝性狀。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“一方面，每份材料都需要調(diào)查幾株材料取平均值；另一方面，還需要考慮環(huán)境中植株的性狀特點(diǎn)。目前沒(méi)有自動(dòng)化的田間測(cè)量?jī)x器。除了苦戰(zhàn)，沒(méi)有其他方法?！蔽忽伪硎荆耙?yàn)樵谏虾：茈y找到足夠的人手，我們就請(qǐng)了很多本科生來(lái)幫忙，人手緊張的時(shí)候甚至還把外地的熟練工人也請(qǐng)來(lái)幫忙?！?span style="display:none">Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

人數(shù)最多的時(shí)候，有差不多100人同時(shí)在田間操作。整整3個(gè)月時(shí)間，無(wú)論是教授還是田間師傅、無(wú)論是研究生還是本科生，都是每天天不亮就下田、天黑才收工，風(fēng)雨無(wú)阻，最終把這塊硬骨頭“啃”了下來(lái)。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

此前，魏鑫的研究領(lǐng)域以生物信息學(xué)為主。大多數(shù)時(shí)候，他都是在辦公室里敲代碼、分析數(shù)據(jù)。通過(guò)多年的田間實(shí)踐，魏鑫對(duì)水稻的田間性狀已經(jīng)非常熟悉了。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“我們很多老師和同學(xué)，以前都沒(méi)有種過(guò)水稻。但是這個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)決定了，我們只有親自參與才能做好這件事。”魏鑫說(shuō)道。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

黃學(xué)輝是少有的、完全在國(guó)內(nèi)的培養(yǎng)模式下成長(zhǎng)起來(lái)的領(lǐng)域內(nèi)頂尖科學(xué)家。2006年從復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)后，黃學(xué)輝來(lái)到中國(guó)科學(xué)院生命科學(xué)研究院，師從中國(guó)科學(xué)院院士韓斌，攻讀博士學(xué)位，畢業(yè)后繼續(xù)留在研究院工作。加入上海師范大學(xué)時(shí)，他已經(jīng)是數(shù)量遺傳學(xué)領(lǐng)域頗有名望的一位學(xué)者。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“國(guó)內(nèi)生物科學(xué)的起步較歐美要晚幾十年。但現(xiàn)在很多領(lǐng)域一流科研工作者的數(shù)量和質(zhì)量快速上升，只要能夠得到很好的科研訓(xùn)練，出國(guó)與否就不是那么重要。”黃學(xué)輝表示。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

在黃學(xué)輝看來(lái)，平臺(tái)可以起到一定的加分作用，但科研最根本的決定因素是人本身?！拔覀儓F(tuán)隊(duì)的幾位老師都得到過(guò)很好的科研訓(xùn)練。此外，每年招生季，整個(gè)課題組都會(huì)花上幾周時(shí)間，一起去現(xiàn)場(chǎng)面試把關(guān)。我們也很幸運(yùn)遇到了一些很出色的學(xué)生。”Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

植物數(shù)量遺傳學(xué)團(tuán)隊(duì)，正是在“以人為本”的理念之下組建起來(lái)的。目前，團(tuán)隊(duì)教師平均年齡35歲，既有作物遺傳育種和分子生物學(xué)方向的研究人員，也有精通生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究人員。他們發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，彼此高效溝通，并且聯(lián)合培養(yǎng)了各有所長(zhǎng)的研究生隊(duì)伍。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

而以水稻“混血雜交”群體為起點(diǎn)，黃學(xué)輝和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)新的“圖紙”。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“我們目前考察了16套常規(guī)的水稻性狀，但水稻的重要性狀遠(yuǎn)不止這些。未來(lái)這套體系還可以用來(lái)研究更多有趣并有用的性狀。已經(jīng)陸續(xù)有一些團(tuán)隊(duì)聯(lián)系我們。我們盡可能提供種子，希望這套群體能夠發(fā)揮更大作用?！贝送猓S學(xué)輝和團(tuán)隊(duì)也在尋求合作機(jī)會(huì)，以期在全國(guó)范圍內(nèi)考察環(huán)境對(duì)水稻性狀的影響。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“下一步的重點(diǎn)是怎么可以讓這套材料體系更好地發(fā)揮其價(jià)值?！秉S學(xué)輝期待更多科學(xué)家可以直接使用這套體系，進(jìn)行農(nóng)藝性狀和分子特征的遺傳學(xué)研究。Hur即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

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