【上海科协】在田间地头“寻宝”的作物遗传学家 ——记2020年上海“最美科技工作者”林鸿宣
林鸿宣,自2001年回国工作以来,他以科学家高度的社会责任感和严谨务实的科学态度,夜以继日地带领研究团队致力于水稻分子遗传学研究,亲自带领助手、研究生到条件艰苦的上海松江农场和海南基地进行试验,顶着烈日酷暑,往往一干就是一天,甚至连续几天。经过20年潜心研究,他终于在水稻重要复杂性状研究方面做出了系统性和原创性工作,成功分离克隆多个水稻基因或QTL,并阐明性状分子调控机制,为作物改良提供有自主知识产权的新基因。
有人说,在田间地头,如果不熟悉林鸿宣的人,都会把他当作种地的老农:今年整60岁的他皮肤黝黑,身材瘦削,穿着某个学术会议的文化衫,还操着一口海南口音。
其实,林鸿宣的真实身份是一位作物遗传学家、中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越研究中心研究员。20多年时间,他来往于田间地头和实验室,几乎将所有时间都在水稻的基因世界里“寻宝”,只为找到那些可以改良水稻品质的优良基因,为让人类不再受饥饿的困扰作贡献。
“海选”出最佳基因
1960年出生于海南省的林鸿宣,似乎骨子里就打上了那个饥荒时代的特殊烙印。
“粮食是非常重要的问题。”从大学开始,到研究生学习及后续的工作和科研,林鸿宣几乎从未改变过自己的初心——就是研究出产量更高、抗性更好的水稻,让粮食问题不再有危机。
“读大学时,国内做的还是基于经典遗传学方面的工作,研究依据是水稻性状表型,不知道基因序列,研究手段还停留在宏观层面。”读博士开始,他接触到分子标记工作,人类对水稻的研究已经深入到基因层面。尽管如此,国内外在这个领域技术差距依然很大。1995年,林鸿宣博士毕业后决心去日本交流学习。
直到2001年,他在《人民日报》(海外版)看到中科院上海生科院植物生理生态研究所(现分子植物科学卓越研究中心)的招聘广告后,决定提前结束国外博士后研究,回国为中国水稻遗传学研究作出自己的贡献,担任作物遗传与功能基因研究组组长。
对于遗传学来说,性状很重要,而真正观察基因所表现的性状,一定要在大田里,在大自然环境下。于是他带领研究组,每年要在上海市郊的农场大田里种植十几万株水稻遗传材料,在其中收集几万株样本,无异于大海捞针。
在茫茫基因的大海里找到一两个有用的基因,谈何容易!
年过花甲 依然亲自下地
种植水稻,需要每年5月播种,6月插秧,最热的七八月取样,9月收种。由于需要对几千、几万株水稻进行排号标记,很多体力活只能自己来完成。林鸿宣团队顶着烈日酷暑,往往一干就是1天,甚至连续几天,中暑也是常事。
但即使年过花甲,林鸿宣还总是亲自带着学生下农田,观察水稻生长性状,收集样本。每次下田,他和学生对每个样本都要仔细核对,因为一旦搞错,就会使实验数据出错,前功尽弃。
为了多积累材料,冬季他们还赴海南南繁基地种植水稻,因为海南冬天气候好,水稻可以多种一季,可以加快实验速度。除了记录性状,还要在实验室里抽取大量样本的DNA、鉴定基因型。都说基因可以改变世界,但要找到它可不容易。成千上万株水稻,要一株一株地做标记。从定位基因到解析出它的功能,中间要花费六七年时间。
水稻遗传学研究,注定是个孤独的领域,往往需要数年磨一剑。首先,由于水稻种植需要一定周期,找到基因需要3年左右,对基因进行功能研究又需要3年多。从发掘基因到完成机理研究,至少需要6年时间。
“这很考验我们的耐力、毅力、体力,还有智慧。”林鸿宣说,水稻研究免不了下地,也比很多其他科研工作要辛苦。也正是如此,他对研究生的选择有两个很重要的标准:一是真的感兴趣,二是能吃苦。
5年没有重要成果 坚信科研需要积累
回国后的头5年时间,林鸿宣的实验室却一直是静悄悄的,很少发表论文,在喧闹的中国生物学界,显得与众不同。
林鸿宣说:“这得感谢所里对我们没有论文的考核压力。”但即使如此,5年没有成果,就意味着没有影响力,也难拿到项目经费。可想而知,他的压力有多大。
但他坚信,科研是需要积累的。
随着城镇化建设,耕地面积逐年减少,而我国人口不断增加,对于人口大国,保障粮食安全是头等大事。“很多耕地因为化肥使用过多,逐渐盐渍化,影响耕地超过几亿亩。另外由于全球气候变化,尤其是长江中下游地区,极端高温天气越来越频繁,导致水稻减产达到30%—50%,并且品质也下降。”林鸿宣担忧地说,依靠科技进步提高作物单产是根本出路。
开展水稻复杂性状遗传学研究,发掘关键基因资源,为改良水稻提供理论基础,对保障粮食安全有重大战略意义。而重要复杂性状如抗逆、产量是由多个数量性状基因控制,遗传机理复杂,研究难度大,富有挑战性。
不但如此,这些研究也很难进行成果转化,产生很大规模的经济效益。“我从来没考虑过经济效益,也几乎没有成果转让的案例。我只想把研究做好,造福于民。” 近20年来,他执着地只想做好一件事:把水稻的产量和抗逆性做得更好。
面向农业发展重大战略需要,林鸿宣选择重大科学问题作为主攻方向,哪怕这个领域需要苦熬多年,甚至没有什么经济效益。但他依然甘于寂寞、不懈努力。
一分耕耘一分收获,厚积终于迎来了薄发。2005年,他带领团队采用图位克隆方法成功分离克隆了控制水稻耐盐性状的数量基因(QTL)SKC1,深入阐明了该基因的生物学功能和耐盐作用机理,相关论文刊登在国际著名学术杂志《自然-遗传学》上。这是国际上首次成功克隆的农作物抗逆QTL;2007年,他带领研究组成功分离克隆了控制水稻粒重的基因(GW2),为阐明作物产量性状的遗传机理提供重要新线索,为作物高产育种提供重要新基因,相关论文发表于国际著名学术杂志《自然-遗传学》上;2008年,他的团队从“海南普通野生稻”中成功克隆控制株型的关键新基因PROG1,阐明了水稻株型驯化的遗传机理,同时为高产株型育种提供重要新基因,相关论文刊登于国际著名学术杂志《自然-遗传学》上;2015年,他带领团队从非洲稻中成功克隆了控制水稻抗热数量基因TT1,揭示了抗热新机制,为作物抗热育种提供有价值的新基因,相关论文第4次刊登于国际著名学术杂志《自然-遗传学》上……
他的研究组一直不断做出创新性的成果,最近又有新研究成果发表于国际著名学术杂志Nature Communications、Plant Cell和Molecular Plant等上。
抗热、耐盐、抗旱、粒型、株型等一系列与水稻生产密切相关的“重量级”基因,被林鸿宣和他的同事打上了“中国发现”的标记,有较大影响力。并且这些基因已被育种家索取开展作物育种应用研究。
由于成果突出,林鸿宣获得了各种奖项:以第一完成人荣获2012年度国家自然科学奖二等奖、2007年度上海市自然科学奖一等奖、2010年度何梁何利奖、2019年度谈家桢生命科学成就奖……
“成果都是一步一个脚印做出来的,不是一朝一夕的事。”他说,“现在又是一个新的起点,要为中国多注册几个水稻功能基因的专利,要对得起国家给的科研经费。要为中国在国际水稻研究界立起更高的地位。”
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