解碼番茄“芯” 為國(guó)育好“種”

    ■走在教育強(qiáng)國(guó)大路上·支撐高水平科技自立自強(qiáng)

·在李傳友提供的再生因子REF1的輔助下，專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)對(duì)小麥、玉米、大豆、土豆、向日葵及果樹(shù)等多種植物進(jìn)行了再生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些植物再生均取得了顯著的效果

·確保“菜籃子”穩(wěn)定，不依賴(lài)“洋種子”，這位在番茄育種領(lǐng)域深耕多年的科學(xué)家，始終懷著對(duì)農(nóng)業(yè)科技的熱愛(ài)與執(zhí)著，致力于培育具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)番茄品種   

“是什么控制著器官再生？”這是2005年《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際提出的125個(gè)人類(lèi)未知的重大科學(xué)問(wèn)題中最重要的25個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一。今年5月22日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線(xiàn)發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李傳友教授團(tuán)隊(duì)在植物再生領(lǐng)域研究取得的重大突破為上述問(wèn)題作了一個(gè)注腳——該團(tuán)隊(duì)以番茄為模式植物，成功發(fā)現(xiàn)細(xì)胞受傷而產(chǎn)生的再生因子REF1，是引發(fā)組織修復(fù)和器官再生的原初受傷信號(hào)分子。

這一發(fā)現(xiàn)在植物轉(zhuǎn)基因、基因編輯領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價(jià)值，為生物育種中解決作物遺傳轉(zhuǎn)化效率低、基因型依賴(lài)嚴(yán)重等瓶頸問(wèn)題，提供了便捷普適的方案和思路，更為種源可控和國(guó)家糧食安全注入了新的動(dòng)力。

與番茄結(jié)下不解之緣

長(zhǎng)期從事植物防御與生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控機(jī)理研究、番茄重要農(nóng)藝性狀遺傳解析與種質(zhì)創(chuàng)新研究的李傳友，目前是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。

在國(guó)際上，李傳友帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先解析了防御激素茉莉酸信號(hào)激活、放大和終止的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，為理解植物對(duì)病蟲(chóng)害的防御反應(yīng)提供了重要理論支撐。同時(shí)，他們還成功分離出多個(gè)具有重要育種利用價(jià)值的番茄優(yōu)質(zhì)抗病關(guān)鍵基因，為培育綠色安全、營(yíng)養(yǎng)健康、美味可口的番茄新品種提供了有力支持。

這些成就的取得，和他一貫堅(jiān)持的前沿研究密不可分。1994年，李傳友從山東農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)后留校，參與農(nóng)學(xué)院遺傳育種實(shí)驗(yàn)室的籌建工作。1996年，他考入中國(guó)科學(xué)院遺傳研究所攻讀博士。1999年，博士畢業(yè)后，懷揣著對(duì)“植物對(duì)病蟲(chóng)的防御反應(yīng)”研究領(lǐng)域的巨大興趣，李傳友選擇到美國(guó)密歇根州立大學(xué)繼續(xù)深造。

做博士后期間，李傳友的主攻方向是以番茄為模式，研究植物防御咀嚼式昆蟲(chóng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)術(shù)界認(rèn)為植物防御昆蟲(chóng)和機(jī)械傷害的長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男盘?hào)是一種被稱(chēng)為“系統(tǒng)素”的多肽。當(dāng)時(shí)，他的“老師的老師”克拉倫斯·瑞恩的這一觀(guān)點(diǎn)，作為學(xué)術(shù)界的權(quán)威已經(jīng)被寫(xiě)入美國(guó)的教科書(shū)。

李傳友并未受主流觀(guān)念影響，還是堅(jiān)持按自己的思路探索實(shí)驗(yàn)，以番茄為模式系統(tǒng)，以蛋白酶抑制劑為抗性標(biāo)記基因，鑒定了一系列番茄抗性缺失突變體，并克隆番茄抗性基因。在此基礎(chǔ)上，他以茉莉酸合成突變體和茉莉酸識(shí)別突變體為材料，利用嫁接實(shí)驗(yàn)證明，在植物系統(tǒng)性抗性反應(yīng)中進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男盘?hào)分子是茉莉酸，而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的系統(tǒng)素。

2002年，考慮到各方可能承受的壓力，李傳友最終把成果拆成了兩篇文章，分別發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》和生命科學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)刊物《植物細(xì)胞》上。

此后不久，克拉倫斯·瑞恩教授就在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上發(fā)表評(píng)論說(shuō)“這是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)”。一些生物科學(xué)頂級(jí)雜志和網(wǎng)站也有大量評(píng)論支持這一觀(guān)點(diǎn)。李傳友的研究成果，在2002年被《科學(xué)》雜志評(píng)為“年度重要突破”。

深耕植物系統(tǒng)性防御研究

2003年，李傳友回國(guó)后創(chuàng)立了“茉莉家園”實(shí)驗(yàn)室，致力于全面探究茉莉酸的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，從而闡明植物系統(tǒng)性防御機(jī)制的構(gòu)建原理。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，他的團(tuán)隊(duì)成功培育出一系列在系統(tǒng)素信號(hào)通路上存在變異的番茄突變體，其中就包括在防御和再生能力上均表現(xiàn)出缺陷的spr9突變體。同時(shí)，他還致力于用分子設(shè)計(jì)手段，培育綠色安全、營(yíng)養(yǎng)健康、美味可口的番茄新品種。

在深入探索植物基因奧秘的過(guò)程中，李傳友團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為SPR9的基因。這個(gè)基因的獨(dú)特之處在于，它編碼了一種小肽的前體蛋白。這一發(fā)現(xiàn)引起了團(tuán)隊(duì)成員的極大興趣，他們決定進(jìn)一步探究這種小肽對(duì)植物生長(zhǎng)和發(fā)育的影響。

通過(guò)一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外源施加這種小肽時(shí)，番茄的再生能力得到了顯著提升。更令人驚奇的是，隨著小肽濃度的增加，番茄植株所表現(xiàn)出的再生能力也呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的趨勢(shì)。這一發(fā)現(xiàn)為植物再生領(lǐng)域的研究提供了新的思路和方向。

為了更好地描述這一神奇的小肽，李傳友團(tuán)隊(duì)將其命名為再生因子REF1。REF1不僅具有強(qiáng)大的促進(jìn)植物再生的能力，而且其調(diào)控機(jī)制也相當(dāng)復(fù)雜而精細(xì)。

在后續(xù)的研究中，團(tuán)隊(duì)成員深入剖析了REF1調(diào)控植物再生的過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)，REF1首先通過(guò)識(shí)別受體蛋白，啟動(dòng)了一系列復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。接著，這些信號(hào)進(jìn)一步激活了細(xì)胞重編程調(diào)控因子，使得細(xì)胞能夠重新獲得再生能力。此外，REF1還能夠進(jìn)一步放大自身的信號(hào)，形成一個(gè)正反饋循環(huán)，從而持續(xù)推動(dòng)植物再生的過(guò)程。

這些研究結(jié)果不僅充分證實(shí)了REF1在植物再生過(guò)程中的重要作用，也為未來(lái)利用這一因子提高農(nóng)作物產(chǎn)量和抗逆性提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

經(jīng)過(guò)不懈努力，李傳友團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)為植物科學(xué)領(lǐng)域的研究注入了新的活力和希望。

此后，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)科院以及山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的十幾個(gè)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，在李傳友提供的再生因子REF1的輔助下，對(duì)小麥、玉米、大豆、土豆、向日葵及果樹(shù)等多種植物進(jìn)行了再生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些植物再生均取得了顯著的效果。尤其值得一提的是，對(duì)于傳統(tǒng)上被認(rèn)為難以轉(zhuǎn)化的作物如大豆、小麥和玉米，在施用REF1后，其轉(zhuǎn)化能力竟提升了6至9倍，遺傳轉(zhuǎn)化效率也實(shí)現(xiàn)了4至5倍的增長(zhǎng)。

目前，再生因子REF1及其方法已成功申請(qǐng)國(guó)際專(zhuān)利。

合力破解番茄“基因字典”

番茄這種看似平凡的蔬菜，實(shí)則蘊(yùn)含著無(wú)數(shù)鮮為人知的秘密。一顆微不足道的番茄種子，若想成長(zhǎng)為飽滿(mǎn)成熟的果實(shí)，其間必須歷經(jīng)多少種侵?jǐn)_與考驗(yàn)？特別是在它遭遇病蟲(chóng)害侵襲時(shí)，所展現(xiàn)出的卓越防御智慧，足以令人嘆為觀(guān)止。

對(duì)此，李傳友頗有洞見(jiàn)?！爱?dāng)面對(duì)病蟲(chóng)害的威脅時(shí)，番茄并非坐以待斃，而是能夠巧妙地運(yùn)用自身獨(dú)特的防御機(jī)制，抵御外來(lái)侵害?！彼嬖V記者，“這種在逆境中展現(xiàn)出的卓越智慧，不僅確保了番茄的生存與繁衍，更為科學(xué)家們提供了研究植物防御機(jī)制的重要線(xiàn)索。”

在李傳友看來(lái)，番茄經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程沒(méi)有滅絕，從這個(gè)意義上講，它一定具有非常強(qiáng)大的防御危險(xiǎn)和傳宗接代的能力。

那么，番茄為什么能成為植物學(xué)研究，特別是果實(shí)發(fā)育及植物免疫研究的經(jīng)典模式系統(tǒng)呢？“番茄看似微小，但相較于其他水果與蔬菜，番茄的基因組結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔，使其在經(jīng)典遺傳學(xué)研究中擁有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”李傳友說(shuō)。

2003年，全球科學(xué)家共同開(kāi)展了番茄基因組的測(cè)序項(xiàng)目，對(duì)番茄12條染色體進(jìn)行測(cè)序。作為執(zhí)行委員會(huì)委員和中方聯(lián)絡(luò)人，李傳友參與組織實(shí)施“國(guó)際茄科基因組計(jì)劃”，承擔(dān)3號(hào)染色體測(cè)序及功能基因組學(xué)研究。

歷經(jīng)多年探索，李傳友研究組和國(guó)際同行一起完成了對(duì)栽培番茄及其近緣野生種醋栗番茄全基因組的精細(xì)序列分析，完整解讀出番茄基因組，破解了番茄“基因字典”。團(tuán)隊(duì)參與的番茄基因組解碼工作，也為培育具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲(chóng)害、抗逆等優(yōu)良性狀的番茄新品種奠定了基因基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)世界的番茄科研和生產(chǎn)具有重要意義。

“目前，團(tuán)隊(duì)成功積累了約1012份種質(zhì)資源，其中既包含了大果類(lèi)番茄和櫻桃類(lèi)番茄，也涵蓋了野生番茄的多樣品種，還獲取了超過(guò)3000份的EMS和快中子誘變突變體材料，為育種工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！崩顐饔褕F(tuán)隊(duì)成員鄧?yán)诮榻B。

此外，他們精心篩選優(yōu)良的雜交種，圍繞高抗、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)三大核心要素，成功構(gòu)建了番茄超級(jí)群體；通過(guò)系譜選育，培育出了一系列優(yōu)質(zhì)的自交系，為打造具有突破性的番茄大品種奠定了堅(jiān)實(shí)的種質(zhì)基礎(chǔ)。

    推動(dòng)番茄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展“新突破”

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)蔬菜水果的需求也日益旺盛。番茄更是在國(guó)人的飲食觀(guān)念中扮演著蔬菜和水果的雙重角色，深受人們青睞。此外，番茄也是全球產(chǎn)量最大的蔬菜作物，我國(guó)是世界第一大番茄生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)值約1600億元，產(chǎn)量超過(guò)世界總產(chǎn)量的1/3，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位。

李傳友向記者細(xì)致地算了一筆賬：倘若一位農(nóng)戶(hù)擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的蔬菜大棚，其面積大約為1.5畝，專(zhuān)門(mén)用于栽培高附加值的番茄作物。在精心管理的前提下，這個(gè)大棚一年之內(nèi)可以順利收獲兩季作物。因此，農(nóng)戶(hù)通過(guò)這一大棚所獲取的年收入預(yù)計(jì)可達(dá)10萬(wàn)至20萬(wàn)元。

在番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，番茄種業(yè)處于核心驅(qū)動(dòng)地位。手握番茄基因的密碼本，李傳友團(tuán)隊(duì)在番茄研究領(lǐng)域持續(xù)深耕，他們運(yùn)用先進(jìn)的基因編輯技術(shù)，不斷揭示番茄生長(zhǎng)機(jī)制的奧秘，加快培育新品種，力求在改善番茄口感、增強(qiáng)其抗病性等生產(chǎn)問(wèn)題上取得新突破。

“我們持續(xù)追求引領(lǐng)番茄育種實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的‘經(jīng)驗(yàn)育種’模式，向現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化的‘精準(zhǔn)育種’模式跨越式發(fā)展，培育出具有濃郁‘番茄味’的番茄?！崩顐饔颜f(shuō)。確?！安嘶@子”穩(wěn)定，不依賴(lài)“洋種子”，這位在番茄育種領(lǐng)域深耕多年的科學(xué)家，始終懷著對(duì)農(nóng)業(yè)科技的熱愛(ài)與執(zhí)著，致力于培育具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)番茄品種。

如今，他帶領(lǐng)的番茄育種團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)成功育成了泰番玲瓏珠、泰番玫瑰黃、泰番綠貴人等20多個(gè)“泰番”系列新品種，這些品種不僅產(chǎn)量高、抗病性強(qiáng)，而且在口感上達(dá)到了前所未有的“番茄味”濃郁度，贏(yíng)得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。

“我們的科學(xué)研究不能僅停留在實(shí)驗(yàn)室里，更要走出實(shí)驗(yàn)室，走到田間地頭，將科技的力量注入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，助力國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，推動(dòng)鄉(xiāng)村全面振興。”李傳友說(shuō)。

《中國(guó)教育報(bào)》2024年07月11日第1版