中国科学报2023-04-27 17:47:12
作为一名遗传学研究者，通俗地说，中国科学院遗传发育所（以下简称遗传发育所）研究员傅向东是一个给水稻“减肥”的人。
“人吃多了会胖，容易伴发代谢疾病。水稻和人一样，肥吃多了也会‘变懒’——根系变小，吸肥能力降低。”研究水稻氮肥高效利用多年，傅向东深谙这种作物的脾性。
但如此一来，水稻吃不下的肥料就会积在土壤或流入江河湖海中，造成环境污染。
(资料图)
众所周知，我国是世界上最大的化肥使用国，不少人认为应减少化肥施用总量。但傅向东认为，生活水平提高和人们对蛋白质需求增加意味着食物链中氮需求的增加，缩小化肥“总盘子”并不现实，关键在于用同样质量的肥料，生产出更多的蛋白质食物。
2005年以来，傅向东与团队试图通过挖掘潜在的“高产+氮高效”优异等位基因，并将其按需组装，突破优良性状间相互拮抗的育种瓶颈。他们还培育出“中禾优”系列水稻，在实践上实现了减肥增产双赢。
十八载的持续深耕让傅向东和合作者获得不少荣誉。两年前，他们走进人民大会堂，抱回烫着金字的大红色国家自然科学奖二等奖证书。近期，他们又获得中国科学院杰出科技成就奖。今年年初，傅向东还获得首期“新基石研究员项目”资助以尝试新的想法。
“不同时代作物育种总会有新的问题。”傅向东说，他希望把给作物“减肥增效”这条路走到底。
成功的“1%”
北京奥运村，遗传发育所一个七八平方米的小型育苗室内，水稻、小麦、拟南芥等多种或水培，或生长在琼脂培养基中的实验材料，在培养架上悄然生长。
尽管身材都很“迷你”，这些材料“身价”却不一般。据介绍，一小盘苗的成本高达1500~2000元，它们都转入了科学家看好的潜在优异等位基因，通过材料的长势可“管窥”目标基因是否理想。
“比如这盘突变体的根系比较多，株高更高、叶子更绿，说明氮吸收更好；这盘叶子明显泛黄，说明氮利用率不高。”傅向东指着其中两盘水稻苗对《中国科学报》说。
傅向东心中的理想基因是：在给肥料做减法的同时，能够给产量做加法。
这样的“加减协同”也是育种上的难题。
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。但半个世纪后也给农学家带来了新的困扰。农民大量施肥，不仅没有获得想要的产量，还带来了土壤酸化、湖泊污染等环境问题，副作用日益突显。
这场“绿色革命”究竟如何影响产量与化肥利用效率？长久以来，其中的机理并不清楚。在英国约翰·英纳斯研究所做博士后期间，傅向东找到了问题所在。半矮化品种中阻遏赤霉素信号途径的一个植物生长抑制因子——DELLA蛋白的积累会升高，这让作物降低株高有效提高了抗倒伏能力，但也伴随着作物穗粒数减少、氮肥利用效率下降。
能否扭转半矮化品种的劣势，超越绿色革命呢？
傅向东希望啃下这块“硬骨头”。
这些年，他和合作者已经找到多个实现“减肥增效”的潜在路线，可在不改变株高的条件下，增加穗粒数、分蘖数，实现高产和氮高效协同改良。
其中一条路线涉及影响植物生长发育的G蛋白。2005年起，傅向东与中国水稻研究所研究员钱前合作，在沈阳农业大学教授杨守仁培育的超级稻“沈农265”中挖掘到一个有助增加水稻穗粒数的基因——Gγ蛋白的DEP1基因位点。此后十余年的研究中，他们发现，这个基因不但有助高产，还能提高氮肥利用效率，并将这个仅存在于我国东北和长江中下游粳稻中的基因，进一步拓展到籼稻上，培育出亩产超1000公斤的籼粳杂交稻。这条路线为解决“绿色革命”负面效应，实现减肥增效提供了新的育种策略。合作团队因此获得2020年度国家自然科学奖二等奖。
第二条路线是影响植物碳-氮代谢的赤霉素信号通路。他们通过筛选全世界的水稻资源材料，从携带“绿色革命”基因的水稻资源材料中克隆了一个氮肥高效利用的关键基因GRF4。该基因不仅能促进氮的吸收，还能提升光合作用，为植物碳-氮协同高效利用打开了一扇新窗户。相关研究2018年发表于《自然》后，日本学者松冈信认为它为“少投入、多产出”的新“绿色革命”和高产高效协同改良的农作物新品种培育提供了重要的新基因资源。
第三条路线则是优异等位基因组合叠加。在维持半矮化育种基础上，傅向东与合作者还克隆了其他多个能够提高氮吸收能力的关键基因，如控制水稻生长发育氮响应基因NGR5（2021年4月《科学》杂志封面文章），该基因能够在减少氮肥投入的同时增加水稻分蘖数。此外，GRF4、NGR5也能与DELLA蛋白互作，可协同提高作物光合作用和氮肥利用效率，且保持半矮化性状。他们将DELLA，GRF4与NGR5进行模块化组合，可实现减肥增效。
接二连三的亮眼成果，让很多人向傅向东取经：“成功率为啥这么高？”
傅向东的回答是，其实99%的实验都是失败的，只有1%的成功被写到了论文里。
“要找到一个具有重大育种价值基因很难，就像大海捞针一样，总是要经历很多失败。”他说，“有时一项研究会遇到死胡同，有时一项成果在发表时总觉得还差点火候，就只能先放下。过几年，有了好的思路再重新做。”
傅向东的电脑里存着许多篇写完后未发表出来的文章。至今，他的第一个博士生蒋才富在2007年撰写的一篇论文仍在一个“未发表”的文件夹里躺着，而这位博士生如今已是中国农业大学的一名教授。
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