攻关“卡脖子” 守好中国“芯”

2021-05-28 22:47:55作者:张喆 审稿:江英飒 来源:宣传统战部​ 点击数:

  

又一篇Cell!川农人再一次登上CNS(Cell Nature Science)全球顶级学术期刊!

5月28日,Cell在线刊发水稻所李仕贵、钦鹏教授团队联合中科院遗传与发育生物学研究所梁承志研究员团队的研究成果。他们在水稻中首次鉴定到大量尚未发现的基因结构性变异和拷贝数变异,阐明其在调控水稻农艺性状的重要作用。还在水稻中首次实现了基于图形结构的基因组构建,突破了传统线性基因组的存储形式。将为水稻研究提供高质量的基因组和遗传变异资源。该论文被Cell审稿人评价为“泛基因组学研究的经典之作”。

“有了这份研究基础,我们可以更好更快地挖掘优异基因运用到育种中,”李仕贵说,“这将有力推动水稻产量和品质进一步改良,着力破解‘卡脖子’难题,打好种业翻身仗,让科研成果真正造福人民,把中国人的饭碗牢牢端在自己手中。”

联合攻关破难题

粮稳天下安。种业是农业的“芯片”,是确保“中国人的饭碗主要装中国粮”的基石。虽然我国水稻育种在功能基因组及杂交水稻等研究领域已经取得多项世界领先成果,但在种质资源发掘利用、现代育种技术应用以及加大优质品种的选育推广等方面还有很大的潜力可发掘,存在“卡脖子”难题。

祖国和人民的需要就是我们的科研目标。近年来,李仕贵教授带领团队针对这些重点难点问题一直在奋斗攻关。

“我们的水稻育种要进一步增加产量、提高品质,应该从哪些基因入手?”

“我国各个稻区的基因组成有何特点?分子模块是什么样的?”

从这些根本问题出发,李仕贵带领团队联合中科院遗传与发育研究所梁承志团队开始了研究攻关。两个团队各有所长,各尽其能。梁承志团队擅长生物信息学与基因组学分析,李仕贵团队对水稻了解更深,在重穗型杂交稻遗传育种方面取得了突出成绩,擅长解读数据背后的生物学意义和育种利用价值。两个团队密切合作已有10余年时间。

从2010年开始,他们对1275份涵盖中国广泛种植的水稻品种和杂交水稻亲本开展研究,获得了146套包含抽穗期、株型、粒型、籽粒品质等29个重要农艺性状的多地区表型数据,通过全基因组关联分析共计挖掘了143个显著关联位点,确定了多个调控产量性状和稻米品质等重要性状的新候选基因或优异等位基因,为中国水稻的分子遗传机理和分子设计育种研究提供了大数据基础。“遗憾的是,由于技术所限,虽然看到了很多基因,但还有更多的庞大数量的基因是看不到的。而且这些基因测序的精度不够,很难真正运用到育种中。”科学与技术进步相互依存。科研只能一步步往前走,一点点积淀,同时等待时机。

潜心钻研勇求索

幸运的是,转机出现在2015年。运用最新的分子测序技术,梁承志和李仕贵团队完成了一套近乎完整的蜀恢498基因组序列,完整度高于水稻日本晴和拟南芥参考基因序列,成为当时所有高等动植物中组装质量最高的基因组。这不仅有利于以蜀恢498为代表的重穗型杂交稻骨干亲本中优异等位基因挖掘和利用,也将为整个籼稻优异等位基因的挖掘和利用提供重要参考。

然而,就在大家都认为,现有的研究成果已经足够运用到育种工作中时,李仕贵却提出,把研究再往前推进一大步。原来,在这次研究中已经发现了一些基因组结构变异,但“只有一两个材料的代表性不够,是不是还有更多的结构性变异等待发现呢?”

随着整个团队在基础与应用基础研究不断推进的过程中,发现越来越需要高质量基因组和全部的序列变异。随着长片段测序方法的进步和成本的下降,以及结合所承担项目的需要,李仕贵派出团队中的骨干钦鹏教授前往中科院遗传与发育生物学研究所开展相关内容的联合攻关。

从读研究生开始,钦鹏就师从李仕贵教授,从事水稻种质资源评价、高产优质基因的机制解析、优异基因挖掘和应用研究。博士毕业后,他留校,加入李仕贵教授科研团队。他对科研有想法、工作有韧性,很快就成长成为李仕贵教授的得力助手、团队中的骨干,并在高温影响水稻高产优质的机制解析、优良等位基因挖掘与利用方面卓有建树。

于是,李仕贵团队继续与梁承志团队开展联合攻关,系统设计研究方案。他们选取了遗传背景具有高度代表性的33个水稻材料,包括亚洲栽培稻各亚群代表性材料和非洲栽培稻材料,以及水稻生产和育种上广泛使用的优良品种和核心亲本材料,并对其中31份进行了长片段测序、高质量基因组组装及基因注释。

高质量基因组组装、结构变异分析等一系列的工作都存在不小的技术难点。为了让团队潜心攻关,李仕贵给予了他们最大的空间。“只用全身心投入这个项目,其他的什么都不用想。”

“罗马城不是一天建成的。”面对困难,钦鹏常常用这句话鼓励大家,对任何事情都不轻言放弃。在研究遇到最困难的时候,李仕贵每天晚上都来到实验室,为大家加油打气,进行指导。

最终,他们鉴定到了大量准确可靠的基因组“隐蔽”变异基础,围绕这些基因组序列变异进行了大量分析研究工作。此研究打开了结构性变异研究的大门,推进水稻高质量泛基因组研究,将为研究水稻等作物进化与驯化、基因组研究、种质资源的精准评价、优良基因的挖掘、基因功能解析奠定坚实基础,为解决种源“卡脖子”问题中的优异基因资源发掘与利用奠定了良好基础。

精益求精细打磨

“一开始就决定要向Cell投稿!”李仕贵表示,“我们的研究的创新性、新颖性都达到了Cell的用稿标准。”怀着紧张的心情翘首以待了1个月后,团队终于收到了审稿意见,可结果却是“拒稿”。

“虽然论文被拒,但几个审稿人都承认了我们研究数据的重要性,同时提出了很多很好的意见。”当有人提出干脆改投其他级别低一点的期刊时,李仕贵和钦鹏却认为这是一次很好的提高论文质量的机会。

经过接下来经过一年紧张忙碌的修改,形成了一份不加附件都有97页的论文,其中对审稿人意见的回复就有24页。钦鹏将这份辛苦一年形成的文章通过邮件发送给Cell编辑,希望能获得编辑的再次送审。

经过几天紧张的等待,编辑同意再给一次送审的机会,但只有一次机会。面对这仅有的一次机会,团队倍加珍惜,又花费了整整一个月的时间修改,才最终正式投稿。当再次收到审稿人的邮件时,钦鹏紧张了许久的心终于放了下来。“这次审稿人的意见很好,尽管还有些小问题,可以说我们终于打动了审稿人。”当最终收到Cell的正式接收函时,团队非常平静,“一切都是水到渠成。”

一份份努力,守护着春种秋收夏耘冬藏。面对种业面临的“卡脖子”难题,李仕贵表示,紧接着团队将利用该资源挖掘更多高产优质基因,将成果运用到育种工作中,力争培育出更多产量高、品质好、抗性强的水稻品种,用科技为端牢中国人的饭碗不断增添信心和力量。

李仕贵(左)钦鹏(右)在实验室讨论中

 

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