解碼番茄“芯” 為國育好“種”

    ■走在教育強(qiáng)國大路上·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，專家團(tuán)隊(duì)對小麥、玉米、大豆、土豆、向日葵及果樹等多種植物進(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“洋種子”，這位在番茄育種領(lǐng)域深耕多年的科學(xué)家，始終懷著對農(nóng)業(yè)科技的熱愛與執(zhí)著，致力于培育具有中國自主知識產(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個人類未知的重大科學(xué)問題中最重要的25個科學(xué)問題之一。今年5月22日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(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題作了一個注腳——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)用價值，為生物育種中解決作物遺傳轉(zhuǎn)化效率低、基因型依賴嚴(yán)重等瓶頸問題，提供了便捷普適的方案和思路，更為種源可控和國家糧食安全注入了新的動力。

與番茄結(jié)下不解之緣

長期從事植物防御與生長發(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、國家重大科學(xué)研究計劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。

在國際上，李傳友帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先解析了防御激素茉莉酸信號激活、放大和終止的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，為理解植物對病蟲害的防御反應(yīng)提供了重要理論支撐。同時，他們還成功分離出多個具有重要育種利用價值的番茄優(yōu)質(zhì)抗病關(guān)鍵基因，為培育綠色安全、營養(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“植物對病蟲的防御反應(yīng)”研究領(lǐng)域的巨大興趣，李傳友選擇到美國密歇根州立大學(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的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。長期以來，學(xué)術(shù)界認(rèn)為植物防御昆蟲和機(jī)械傷害的長距離運(yùn)輸?shù)男盘柺且环N被稱為“系統(tǒng)素”的多肽。當(dāng)時，他的“老師的老師”克拉倫斯·瑞恩的這一觀點(diǎn)，作為學(xué)術(shù)界的權(quán)威已經(jīng)被寫入美國的教科書。

李傳友并未受主流觀念影響，還是堅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)行長距離運(yùn)輸?shù)男盘柗肿邮擒岳蛩?，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《美國科學(xué)院院報》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《美國科學(xué)院院報》上發(fā)表評論說“這是一個新的發(fā)現(xiàn)”。一些生物科學(xué)頂級雜志和網(wǎng)站也有大量評論支持這一觀點(diǎn)。李傳友的研究成果，在2002年被《科學(xué)》雜志評為“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轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，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，他還致力于用分子設(shè)計手段，培育綠色安全、營養(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程中，李傳友團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)了一個名為SPR9的基因。這個基因的獨(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植物生長和發(fā)育的影響。

通過一系列精心設(shè)計的實(shí)驗(yàn)，科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外源施加這種小肽時，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)出越來越強(qiáng)的趨勢。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)控植物再生的過程。他們發(fā)現(xiàn)，REF1首先通過識別受體蛋白，啟動了一系列復(fù)雜的信號傳導(dǎo)過程。接著，這些信號進(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，形成一個正反饋循環(huán)，從而持續(xù)推動植物再生的過程。

這些研究結(jié)果不僅充分證實(shí)了REF1在植物再生過程中的重要作用，也為未來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，中國科學(xué)院、中國農(nóng)科院以及山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的十幾個專家團(tuán)隊(duì)，在李傳友提供的再生因子REF1的輔助下，對小麥、玉米、大豆、土豆、向日葵及果樹等多種植物進(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。

目前，再生因子REF1及其方法已成功申請國際專利。

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)含著無數(shù)鮮為人知的秘密。一顆微不足道的番茄種子，若想成長為飽滿成熟的果實(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害侵襲時，所展現(xiàn)出的卓越防御智慧，足以令人嘆為觀止。

對此，李傳友頗有洞見。“當(dāng)面對病蟲害的威脅時，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)制的重要線索。”

在李傳友看來，番茄經(jīng)過長期的進(jìn)化過程沒有滅絕，從這個意義上講，它一定具有非常強(qiáng)大的防御危險和傳宗接代的能力。

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)相對簡潔，使其在經(jīng)典遺傳學(xué)研究中擁有堅實(shí)的基礎(chǔ)?！崩顐饔颜f。

2003年，全球科學(xué)家共同開展了番茄基因組的測序項(xiàng)目，對番茄12條染色體進(jìn)行測序。作為執(zhí)行委員會委員和中方聯(lián)絡(luò)人，李傳友參與組織實(shí)施“國際茄科基因組計劃”，承擔(dān)3號染色體測序及功能基因組學(xué)研究。

歷經(jīng)多年探索，李傳友研究組和國際同行一起完成了對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，也為培育具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害、抗逆等優(yōu)良性狀的番茄新品種奠定了基因基礎(chǔ)，對推動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番茄和櫻桃類番茄，也涵蓋了野生番茄的多樣品種，還獲取了超過3000份的EMS和快中子誘變突變體材料，為育種工作奠定了堅實(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)建了番茄超級群體；通過系譜選育，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實(shí)的種質(zhì)基礎(chǔ)。

    推動番茄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展“新突破”

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對蔬菜水果的需求也日益旺盛。番茄更是在國人的飲食觀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，我國是世界第一大番茄生產(chǎn)國，產(chǎn)值約1600億元，產(chǎn)量超過世界總產(chǎn)量的1/3，在國民經(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)戶擁有一個標(biāo)準(zhǔn)化的蔬菜大棚，其面積大約為1.5畝，專門用于栽培高附加值的番茄作物。在精心管理的前提下，這個大棚一年之內(nèi)可以順利收獲兩季作物。因此，農(nóng)戶通過這一大棚所獲取的年收入預(yù)計可達(dá)10萬至20萬元。

在番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，番茄種業(yè)處于核心驅(qū)動地位。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。確?！安嘶@子”穩(wěn)定，不依賴“洋種子”，這位在番茄育種領(lǐng)域深耕多年的科學(xué)家，始終懷著對農(nóng)業(yè)科技的熱愛與執(zhí)著，致力于培育具有中國自主知識產(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“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，贏得了市場的廣泛認(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，助力國家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，推動鄉(xiāng)村全面振興。”李傳友說。

《中國教育報》2024年07月11日第1版