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守一声承诺,追强农兴农科技梦

——访中国农业大学农学院杨小红教授
2022年03月29日 浏览次数:

【编者按】十八年,6573个日夜,北方的玉米可以更迭18代,海南的水稻可以收获36次,南北之间一篇“顶天立地”的文章一直在书写。为了发现可以增产的基因,为了探索作物演化的奥秘,三代玉米人苦苦追寻了十八个春秋。

2022年3月25日是中国农业大学农学院玉米研究中心李建生和杨小红教授实验室(原412实验室)一个特别值得纪念的日子。清早6点钟,杨小红教授从北京的实验室打电话给在海南玉米南繁基地工作的李建生教授,非常激动地说,“李老师,我们的文章在Science(《科学》)在线发表了!”

一个历时18年、经过三代玉米人辛勤耕耘的研究项目终于有了一个满意的结果。以杨小红、严建兵(华中农业大学)和李建生教授为共同通讯作者的论文,发现了可以同时控制玉米和水稻产量的关键基因,经过基因编辑的新品系可以增加约10%的玉米产量和约8%的水稻产量,展现了巨大的应用潜力,为打好种业翻身仗和国家粮食安全提供了重要的科技支持。

李建生(第二排左五)、杨小红(第二排左三)团队在基地合影

李建生教授说:“尽管杨小红教授在三个共同通讯作者中,她的资历最浅,年龄也最小,但她对这篇文章做出的贡献是最大的,团队的所有成员一致推举她作为论文最重要的通讯作者。你们一定要好好采访她。”为了了解三代玉米人18年追逐提高玉米产量梦想的故事,中国农业大学农学院组成了采访小组,采访了此文通讯作者杨小红教授。

十年守一声承诺,三代人圆一个梦想

杨小红教授说:“我接手了412实验室,要完成我的使命,不辜负恩师对自己的期望。”

本世纪初,杨小红的导师——李建生教授率先提出玉米穗行数基因克隆的研究思路,亲自创制了穗行数稳定遗传且为6行的玉米自交系,并通过6年左右的时间完成玉米穗行数QTL定位。2011年杨小红从博士后转为青年教师,开始参与穗行数QTL的图位克隆。自那以后,如何利用野生玉米资源研究玉米产量性状的遗传基础及其演化规律,挖掘高产基因并应用于玉米产量的遗传改良成了杨小红坚守至今的研究方向之一。

2004年团队在国家玉米改良中心前合影(第二排右一李建生,前排中杨小红,后排左一严建兵)

从2002年至2011年的九年里,杨小红一直师从李建生教授。李建生回忆说:“她是农学院玉米研究中心412实验室最出色的研究生之一”。她在攻读研究生期间,往往是每天最早进入实验室,最后离开实验室的学生。

2015年,李建生教授退出了实验室主持人的岗位,他语重心长地对杨小红说:“412实验室和未完的使命就交给你了。”

“好。”一向寡言少语的杨小红只说了一个字。却用了十年时间来坚守着上一代玉米人未完成的使命。

路虽远行则将至,事虽难做则必成

“前景光明辽阔,但道路不会平坦。”杨小红说。

2013年11月,受“海燕”台风影响,第一批播种的用于QTL精细定位的玉米苗全部被损毁。为了不耽误研究进展,团队重新播种了所有材料。而这样一来,授粉时间刚好碰上2014年春节,是否回家过年呢?杨小红没有犹豫!毅然决然选择留守海南,带领团队成员在田间开展玉米授粉和表型鉴定工作,度过了一个不平凡的春节。

杨小红早期主要从事基因组学、数量遗传学和群体遗传学研究,缺乏分子生物学研究的训练。在早期研究玉米基因功能时,面临不少挑战,可谓举步维艰。

不懂就问,虽是个笨办法,但是有效。她最常做的是带着学生向相关的专家请教。从农学院问到生物学院,从中国问到美国。不放过每一个细节,每一个疑问。性格内向的她,一次次克服紧张向他人请教,只为了进一步接近真相。

2015年夏天开始,杨小红带领学生陈文康和张璇等一步步摸索前行。当团队第一次用扫描电镜观察玉米幼穗时,拍出来的幼穗失水过快导致顶端有凹陷,无法达到最佳效果。为了解决这个问题,杨小红教授联系了华中农大杨芳教授,并派张璇到华中农大学习拍摄,拍摄效果虽然有了改善,但依旧不理想。

2017年夏天,团队在总结了大量经验的基础上,制定了完整的计划。在陈文康和张璇配合下,天亮就取下的样品在中科院遗传所完成了拍摄。连续两年,多次的拍摄,终于有多张玉米幼穗发育的完美扫描电镜的照片出现在世人眼前。

2020年,新冠疫情席卷全球,流动受限,交往受限,科研深受影响。出行可以暂停,可自然的时序、作物的生长却不会停顿。按照春玉米生长条件,5月1日之前需要完成播种,而播种的种子通常需要准备一个月的时间。此时该研究还差最后一个关键的田间试验,如果不能赶上此次播种,就得耽误半年的时间。

半年时间,意味着足够让后续的研究者追赶这支当时已取得突破成果的队伍。

是等待着被超越?还是咬牙克服困难?答案清清楚楚地呈现在杨小红教授的脑海里,她坚定的选择了后者,组织一切力量攻坚。

学生不能返校,那就自己准备播种材料;

海南的种子按照时序成熟了,那就亲自整理和核对果穗;

……

皇天不负苦心人。种子在5月1日如期种下,可靠的实验结果让该研究前进了重要的一步。

杨小红团队海南授粉期间在地头用餐

苦熬不如苦干,蛮干不如巧干

“努力是需要方法的,成功是需要坚持的。”杨小红说。

择一事,终一生。谈到为什么坚持投身到玉米的基础与应用研究中,杨小红说:“一开始,是不想浪费自己学习的农学知识,后来,是不能辜负对恩师李建生教授的承诺,而现在,是不能放弃这份因为热爱的坚持。”在坚持的路上,杨小红一次次寻找着更优的方法。

功能基因组时代,无论在精细定位过程中还是在基因功能验证过程中,基因型检测和表型的调查是最主要的两部分,因此对田间性状的调查提出了更高的要求。

在恩师李建生的教导下,为更好地鉴定表型,杨小红带领团队在田间开展了大量的工作。播种的地点从东北铁岭到西北巴彦淖尔;从首都北京到海南三亚。从2013年海南三亚开始,平均每一代需要种8000株左右的玉米,最高时的2017年内蒙古巴彦淖尔超过一万株。截至2020年,团队在海南一共种植了15代,也就是12万株玉米,占地30亩。大量的田间表型数据为获得准确的基因定位结果奠定了坚实的基础。

杨小红教授(左二)和学生在玉米地里

杨小红从项目开展的那天起,412实验室就多了一盏深夜的长明灯。杨小红对我们说:“这个项目在后期的基因功能解析方面,很多细节上我不太懂,我只能多学一些。这些对我们团队来说很多都是第一次。”她一直在求索,一点点揭开神秘的面纱。

2017年3月,在初步验证了KRN2在玉米中的功能后,杨小红在思索:产量性状如此之重要,若这个基因在其他禾本科作物中也有功能的话,其应用价值是非常巨大的。

一闪而过的火花,奠定了项目成功的基础。

不同物种之间的直系同源基因可能有相类似的表型,杨小红首先想到的就是水稻,因为水稻既是我国主要的粮食作物,同时又是研究的模式作物,如果能够在水稻中验证该基因的功能,那对水稻的改良也有很大的帮助。

在后续的研究中,杨小红亲自检查每一位学生的材料,亲自把关每一条数据。学生每完成一个实验,杨小红都会与他们进行讨论,看看实验结果是否符合预期、逻辑。很多实验在412实验室都是首次进行,对于结果准确性的把握最重要。因此,杨小红教授经常向其他擅长相关研究的老师或学生请教,同团队一步步探索和完善。

杨小红教授(中间)在指导学生实验

杨小红说:“合作是我们能获得如此重大研究成果的重要因素。我们一个团队的力量是有限的,这个项目的成果离不开很多人的倾力支持和帮助。”

严建兵博士是李建生教授联合培养的博士研究生,2003至2006年也是中国农业大学农学院玉米研究中心412实验室的成员。2006至2008年在国际玉米小麦改良中心、康奈尔大学从事博士后研究。2008至2011年先后任国际玉米小麦改良中心副科学家和科学家。杨小红也先后前往国际玉米小麦改良中心、密西根州立大学、康奈尔大学等单位进行访学,增长了见识,开拓了视野。这种亦师亦兄长的情谊为他们后续的没有“门户之见”的合作奠定了基础。

2011年,严建兵受聘为华中农业大学教授。杨小红一直与严建兵团队在数据、材料等方面保持通力合作,分别从遗传学和基因组两个层次开展玉米基础研究。

2019年1月,严建兵的博士生杨宁到访中国农业大学,在互相了解了各自课题的进展后,开始着手组织该项目的论文故事。同年3月,在严建兵教授的建议下,双方分别从单基因和全基因组两个层次上阐述玉米和水稻的趋同选择,由此开展了双方的合作。

从2019年3月至2022年3月,双方平均每两个月开展一次视频会议,总结已有结果,及时调整方向,部署下一步的工作。这种合作始终贯穿于前期课题的进行,中期文章的准备,以及后期文章的投稿和修改。

2008年杨小红与严建兵教授等在CIMMYT访学时的合影(左图)以及她在CIMMYT野生玉米基地观察野生玉米(右图)

David Jackson博士是美国冷泉港国家实验室教授,在Science、Nature、Nature Genetics等国际顶级期刊上发表了数十篇玉米花序发育及其遗传基础研究的文章。2015年4月,经严建兵引荐,杨小红与David交谈了项目进展,在David的建议下,杨小红团队找到了一个关键的候选基因,使得研究往前跨了一大步,也开启了基因功能验证的工作。在此之后,David基本上每年都会和团队成员当面交流一次,邮件频繁交流,倾囊相授。

2018年David在中国农业大学与杨小红教授团队的合影(前排左二陈文康;左三David;左四杨小红;第二排右四张璇)。

源浚者流长,根深者叶茂

参天之木,必有其根;怀山之水,必有其源。

在与杨小红的对话中,她一次次提到,在项目研究中,学校、学院、国家玉米改良中心不仅为项目的推动实施提供了广阔的平台,各中心和团队之间的互相帮助,为项目的成功提供了设备、人员上的支持,尤其是国家玉米改良中心不仅有最先进的设备,还有最灵活的空间。在这里,她可以自由地安排自己的时间,有足够大的空间探索自己想做的研究。“国家玉米改良中心为一个个像我这样在黑暗中探索一点点未知的人,提供了全国最好的、最自由的发展。”杨小红说。

2018年,团队加入植物生理学与生物化学国家重点实验室,更为本团队在基因分子机制方面的研究推进了一大步。“对我们团队很难的分子技术,到了国家重点实验室就不是个事儿。”杨小红说。同时,中国农业大学作物功能基因组与分子育种研究中心平台为本项目的研究提供了成熟的技术支撑。

2004年戴景瑞院士与李建生团队在国家玉米改良中心门口合影。(前排左三戴景瑞院士;前排左四李建生;前排右一杨小红)

三代人的火炬,接力棒的延续

杨小红对我们说:“找到一条好的路不容易,走好这条路更不容易。从李建生教授到我,再到我的学生陈文康、张璇。我们走了18年,我们坚守了三代人。”

山再高,往上攀,总能登顶;路再长,走下去,必能到达。因为什么一往无前?凭借什么锲而不舍?答案唯有责任与热爱。

2008年杨小红博士毕业时与导师李建生合影(左图);2020年陈文康博士毕业时和导师杨小红的合影(右图)

“一百年以后,没你也没我,我们奋斗一生不带走一草一木;我们执着一生,不带走一分名利浮华。现在我们是做出了一些成果,但我们还有很多诸如玉米穗行数演化机制等科学问题都没有完全揭示,我们接下来还要继续再研究,进一步为我国玉米育种事业做出一点我们的贡献。”杨小红继续说到。

杨小红、陈文康在实验田工作(本图来自新华网)

有恒者不声张,功成时美名扬。时间不辜负对拼搏者的允诺,不吝啬对奋斗者的褒奖。

杨小红和李建生教授团队18年的坚守,三代人的传承取得了如今举世瞩目的成果。于高山之巅,方见大河奔涌;于群峰之上,更觉长风浩荡。这是一支耐得住寂寞的队伍,这也是一个克服了无数困难的团队,这更是一个个为了我国生物育种事业奉献了全部青春热血的中国农大人。

回眸过去,以杨小红为代表的新一代农大人走过千山万水,取得了骄人成就;长路既望,我们还有璀璨星河,还要继续攻坚克难!

她们将与全国同行们一起,坚定地在这条路上走下去,做到科技自立自强,强农兴农,稳稳地扛起确保粮食安全的重担,让我们的饭碗装满中国粮!

供稿:农学院 张奚晨 秦少林 殷鹏飞 田金翔

供图:农学院

编辑:孟祥慈

责编:于哲

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