楊行海:尋找開啓水稻基因寶藏的鑰匙
  • 發布單位:院辦公室
  • 2021年07月14日 18时01分41秒
  • 浏覽(1885)
  • 收藏
浏覽字號:

廣西農業科學院第二批青年拔尖人才系列報道之二

楊行海:尋找開啓水稻基因寶藏的鑰匙

水稻是重要的糧食作物,全世界一半以上的人口以水稻爲主食。當前,氣候變化和人口增長正使全球糧食供應面臨風險,作物種質資源中優良等位基因的鑒定和有效利用是破解難題的有力手段之一。廣西可能是栽培稻起源地,蘊藏著豐富的稻種資源。

“在國家長期庫的8萬多份水稻種質資源中,廣西地方品種就有8500多份,數量居全國之首。雖然衆多國內科研院所利用廣西水稻種質挖掘了産量、品質、抗病蟲害、耐逆等一系列重要農藝性狀基因,但由廣西科研單位鑒定的基因仍寥寥無幾。基因資源已成爲現代育種的關鍵,亟需從廣西豐富的稻種資源中發掘優異的基因資源。”從事水稻種質資源基因發掘與分子育種研究的楊行海說道。

2014年8月,楊行海從桂林市農業科學院來到廣西農業科學院水稻研究所工作,進入栽培稻種質資源研究室開展水稻重要農藝性狀基因鑒定研究,在有關專家及同事們的關心和幫助下,經過6年多的不懈努力,在水稻複雜性狀基因定位技術、重要基因功能研究方面取得了不菲的成績。

剛到水稻所,在了解研究室主要研究方向是水稻種質資源基因挖掘後,楊行海心裏沒底,甚至感到了恐慌,此時距離他上一次做分子生物學實驗已經過去了5年多。當他看到研究室最新開展的全基因組關聯分析(GWAS)報告時,腦袋一片空白,分子標記由二代進入三代,以前價格高昂的基因組測序,現在已是“飛入尋常百姓家”了。

面對困境,他想起了研究生時期剛剛入門做科研的時候,導師曾講授的在科研中“做中學”的理論,似乎明白了接下來該去做什麽。

做實驗、分析數據、驗證結果,繁忙的2015年轉瞬即逝。這一年,楊行海完成了419份水稻種質資源的數據分析,熟悉了水稻基因組3.8萬個基因注釋信息,掌握了利用GWAS鑒定水稻農藝性狀基因。他在基因的世界裏漸入佳境,竟發現自己已經迷上了這項工作。

“雖然利用GWAS分析可以快速鑒定植物性狀基因,但是由于水稻屬于自花授粉植物,LD衰減距離較大,實現目標基因的精細定位仍然很困難。怎樣縮減候選區間?”楊行海又陷入了思考。

恰逢此時,QTL-seq技術成爲了最流行的基因定位方法。但當將該技術應用于水稻複雜性狀花青素基因定位的時候,楊行海與團隊成員只獲得了與前人研究完全一致的結果。“明明用GWAS技術已經關聯出了新的花青素基因,爲何用QTL-seq技術定位不到新基因?到底是哪裏出現了問題?”楊行海一次次地反問自己。

经过认真地查阅经典书籍、审视实验设计和梳理分析流程后,他发现了QTL-seq存在的局限性。随后,杨行海创建了将F2分离群体依据表型值分级分组,两两比较分析的PACMP技术。实践证明,PACMP有效解决了水稻复杂性状基因定位的困难。鉴于PCAMP技术的新颖性,该研究结果被国际著名植物学杂志Plant Biotechnology Journal选为封面文章发表。

为了进一步验证PCAMP技术的有效性和实用性,杨行海选取其中一个新基因为后续研究对象,巧妙地构建了多基因控制性状的单基因分离群体,实现了水稻花青素生物合成关键调控基因OsTTG1的图位克隆和功能研究,揭示了其影响水稻各个组织器官花青素积累的分子基础。该研究结果于2021年4月发表在植物学经典期刊The Plant Journal上。2021年6月,国内水稻权威数据库国家水稻数据中心正式收录OsTTG1,标志着这一研究在国际上率先完成OsTTG1的克隆,并得到学术界的认可。

至此,楊行海圓滿完成了水稻複雜性狀基因定位技術PCAMP的概念提出、流程設計、實踐操作和結果驗證的全部目標。

隨著簡單快速高效實用的基因定位方法PCAMP出現,引起了國內外科研工作者的廣泛關注,中國科學院遺傳發育研究所、中國農業科學院棉花研究所、四川農業大學農學院等多家科研單位關注、咨詢相關內容。此外,該項技術發明專利還授權給北京諾禾致源科技股份有限公司等9家公司使用。

對于如何從事科研工作,楊行海有著自己的宗旨。“一般來說,我會選擇兩種性狀,‘一難一易,一慢一快’。這樣的話,在科研中就會有持續的産出,不會背負太多包袱,同時可以讓自己的研究能進入相關領域的先進行列。”楊行海與年輕的同事交流的時候,經常這樣分享自己的科研經驗。

如果說水稻花青素屬于可以准確鑒定表型的性狀,那麽水稻的氮素利用效率則有難以捉摸的表現。本世紀初,我國科學家提出了“綠色超級稻”的理念,培育氮肥高效利用的水稻新品種成爲解決農業生産和環境資源間矛盾的關鍵。

国内外多个知名团队研究结果表明,克隆水稻氮素利用效率基因是很困难的,但杨行海欣然接受了这一挑战。在阅读众多文献后,杨行海意识到表型精准鉴定是基因精细定位的基础,对于氮素吸收利用基因鉴定来说尤其如此。他针对水稻氮素吸收利用率,建立了一套高效、准确的表型鉴定方法,保证各株系氮素背景的一致。随后,水稻氮素利用效率基因OsNPF3.1被图位克隆,该基因在正常氮肥水平下可以显著提高水稻生物产量,应用潜力巨大。目前,部分研究结果在植物科学领域期刊Frontiers in Plant Science和BMC Plant Biology上发表。

基因挖掘的最終目標是育種利用,楊行海沒有忘記這一點,他與合作夥伴將水稻花青素優良等位基因導入多種類型品種中,經過多年的努力,培育出了“桂黑絲占”“桂豐黑糯169”“晶紫糯166”等富含花青素、食味品質佳的新品種,可謂“既好看又好吃”。在團隊成員共同努力下,圍繞OsNPF3.1基因,楊行海與團隊成員建立了水稻氮素利用效率近等基因系,10個表現優良的水稻品種獲授植物新品種權保護,它們將爲培育水稻氮高效利用品種發揮重要作用。

“春种一粒粟,秋收万颗子。”一路走来,杨行海主持各类项目10余项,其中国家自然科学基金2项;获广西科技进步二等奖1项,KA电子科技进步一等奖2项、二等奖2项;获授权植物新品种权10个,选育水稻品种6个;以第一完成人获授权国家专利10项,其中发明专利4项,并成功转化1项,授权计算机软件著作权4项;以第一或通讯作者在Plant Biotechnology Journal(封面文章)、The Plant Journal等期刊上发表SCI论文8篇,总影响因子32.432,参编专著3部。担任国家自然科学基金项目的评审专家,担任Molecular Breeding、Scientific Reports、Plant Molecular Biology Reporter等外文期刊reviewer,被国际知名农业刊物Journal of Experimental Agriculture International评选为2020年度优秀审稿专家。

“既然選擇了遠方,便只顧風雨兼程。”回望多年來一頭紮進科研的海洋,尋找開啓水稻基因寶藏的鑰匙,面對前行道路上諸多困難和艱苦掀起的巨浪,楊行海毫無畏懼,乘風破浪,勇于創新,敢于突破,終收獲累累碩果。

“過往終將過去,未來我們共同期待!”楊行海樂觀自信地說道。


楊行海在構建水稻基因編輯載體

    

楊行海在田間篩選水稻優異種質

院办公室  薛臣艺供稿/杨行海供图  杨景峰审核

責任編輯:薛臣艺