堅持“減肥”18年，1％的成功是他們的前驅力

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/499559.shtm

作為一名遺傳學研究者，通俗地說，中國科學院遺傳發育所（以下簡稱遺傳發育所）研究員傅向東是一個給水稻“減肥”的人。

“人吃多了會胖，容易伴發代謝疾病。水稻和人一樣，肥吃多了也會‘變懶’——根系變小，吸肥能力降低。”研究水稻氮肥高效利用多年，傅向東深諳這種作物的脾性。

但如此一來，水稻吃不下的肥料就會積在土壤或流入江河湖海中，造成環境污染。

眾所周知，我國是世界上最大的化肥使用國，不少人認為應減少化肥施用總量。但傅向東認為，生活水平提高和人們對蛋白質需求增加意味著食物鏈中氮需求的增加，縮小化肥“總盤子”并不現實，關鍵在于用同樣質量的肥料，生產出更多的蛋白質食物。

2005年以來，傅向東與團隊試圖通過挖掘潛在的“高產+氮高效”優異等位基因，并將其按需組裝，突破優良性狀間相互拮抗的育種瓶頸。他們還培育出“中禾優”系列水稻，在實踐上實現了減肥增產雙贏。

十八載的持續深耕讓傅向東和合作者獲得不少榮譽。兩年前，他們走進人民大會堂，抱回燙著金字的大紅色國家自然科學獎二等獎證書。近期，他們又獲得中國科學院杰出科技成就獎。今年年初，傅向東還獲得首期“新基石研究員項目”資助以嘗試新的想法。

“不同時代作物育種總會有新的問題。”傅向東說，他希望把給作物“減肥增效”這條路走到底。

成功的“1%”

北京奧運村，遺傳發育所一個七八平方米的小型育苗室內，水稻、小麥、擬南芥等多種或水培，或生長在瓊脂培養基中的實驗材料，在培養架上悄然生長。

盡管身材都很“迷你”，這些材料“身價”卻不一般。據介紹，一小盤苗的成本高達1500~2000元，它們都轉入了科學家看好的潛在優異等位基因，通過材料的長勢可“管窺”目標基因是否理想。

“比如這盤突變體的根系比較多，株高更高、葉子更綠，說明氮吸收更好；這盤葉子明顯泛黃，說明氮利用率不高。”傅向東指著其中兩盤水稻苗對《中國科學報》說。

傅向東心中的理想基因是：在給肥料做減法的同時，能夠給產量做加法。

這樣的“加減協同”也是育種上的難題。

上世紀60年代，半矮化作物育種引領了農業史上的“綠色革命”，讓全世界水稻和小麥產量翻了一番。但半個世紀后也給農學家帶來了新的困擾。農民大量施肥，不僅沒有獲得想要的產量，還帶來了土壤酸化、湖泊污染等環境問題，副作用日益突顯。

這場“綠色革命”究竟如何影響產量與化肥利用效率？長久以來，其中的機理并不清楚。在英國約翰·英納斯研究所做博士后期間，傅向東找到了問題所在。半矮化品種中阻遏赤霉素信號途徑的一個植物生長抑制因子——DELLA蛋白的積累會升高，這讓作物降低株高有效提高了抗倒伏能力，但也伴隨著作物穗粒數減少、氮肥利用效率下降。

能否扭轉半矮化品種的劣勢，超越綠色革命呢？

傅向東希望啃下這塊“硬骨頭”。

這些年，他和合作者已經找到多個實現“減肥增效”的潛在路線，可在不改變株高的條件下，增加穗粒數、分蘗數，實現高產和氮高效協同改良。

其中一條路線涉及影響植物生長發育的G蛋白。2005年起，傅向東與中國水稻研究所研究員錢前合作，在沈陽農業大學教授楊守仁培育的超級稻“沈農265”中挖掘到一個有助增加水稻穗粒數的基因——Gγ蛋白的DEP1基因位點。此后十余年的研究中，他們發現，這個基因不但有助高產，還能提高氮肥利用效率，并將這個僅存在于我國東北和長江中下游粳稻中的基因，進一步拓展到秈稻上，培育出畝產超1000公斤的秈粳雜交稻。這條路線為解決“綠色革命”負面效應，實現減肥增效提供了新的育種策略。合作團隊因此獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。

第二條路線是影響植物碳-氮代謝的赤霉素信號通路。他們通過篩選全世界的水稻資源材料，從攜帶“綠色革命”基因的水稻資源材料中克隆了一個氮肥高效利用的關鍵基因GRF4。該基因不僅能促進氮的吸收，還能提升光合作用，為植物碳-氮協同高效利用打開了一扇新窗戶。相關研究2018年發表于《自然》后，日本學者松岡信認為它為“少投入、多產出”的新“綠色革命”和高產高效協同改良的農作物新品種培育提供了重要的新基因資源。

第三條路線則是優異等位基因組合疊加。在維持半矮化育種基礎上，傅向東與合作者還克隆了其他多個能夠提高氮吸收能力的關鍵基因，如控制水稻生長發育氮響應基因NGR5（2021年4月《科學》雜志封面文章），該基因能夠在減少氮肥投入的同時增加水稻分蘗數。此外，GRF4、NGR5也能與DELLA蛋白互作，可協同提高作物光合作用和氮肥利用效率，且保持半矮化性狀。他們將DELLA，GRF4與NGR5進行模塊化組合，可實現減肥增效。

接二連三的亮眼成果，讓很多人向傅向東取經：“成功率為啥這么高？”

傅向東的回答是，其實99%的實驗都是失敗的，只有1%的成功被寫到了論文里。

“要找到一個具有重大育種價值基因很難，就像大海撈針一樣，總是要經歷很多失敗。”他說，“有時一項研究會遇到死胡同，有時一項成果在發表時總覺得還差點火候，就只能先放下。過幾年，有了好的思路再重新做。”

傅向東的電腦里存著許多篇寫完后未發表出來的文章。至今，他的第一個博士生蔣才富在2007年撰寫的一篇論文仍在一個“未發表”的文件夾里躺著，而這位博士生如今已是中國農業大學的一名教授。

  ?

傅向東在遺傳發育所小型育苗室內觀察水培苗的漲勢。 馮麗妃攝

2018年發表的論文登頂《自然》封面。受訪者供圖  ?

  ?

2021年發表于《科學》的封面論文。受訪者供圖

田間的源泉

今年二月，遺傳發育所溫室里培育了近兩個月的秧苗材料被從北京空運至海南，在農業“南繁硅谷”的實驗田落地生根，它們承載著傅向東和團隊的新期待。

“做分子生物學的人，不是只做‘馬后炮’的事情。”傅向東常這么說，“除了解釋優良品種優勢產生的遺傳機制，發好的‘paper’；還要能解決一些實際問題，真正為農民帶來利益。”

每年，傅向東和團隊會在海南種水稻，那里的熱量高，水稻生長周期短，可以更快地驗證他們的想法。

在安徽，十多年來，他們的實驗田從無到有，已增長到如今的100畝。在田里，他們會嘗試把不同的優良等位基因聚合在一起，探索其能否達到理想的“減肥增效”目標。

事實上，在作物育種中，并非所有優異基因的組合都能起到“1+1＞2”的疊加效應，很多優異等位基因之間會相互拮抗（或阻抑）。這意味著，需要在研究清楚其互作機理的條件下，才能逐步增加聚合的基因數目。

基于十多年的分子機理研究，傅向東與合作者已經培育出系列“中禾優”國審品種。據介紹，這些設計型新種質資源目前已經發展到第11號。

“每一個編號我們都想嘗試解決一個問題，把難以協同改良的優良性狀整合到一起。”傅向東說。

以中禾優1號為例，這一品種更突出高產和高效。在正常施肥的情況下，比對照品種的產量增幅可達18%左右。在安徽，這一品種在不施肥、不打農藥的條件下，讓稻田中養小龍蝦的農戶畝產收獲600公斤。

由于中禾優1號較市場上的優質稻米粒長短，研究團隊通過進一步聚合細粒長相關優異等位基因，推出中禾優3號和中禾優5號，培育出外觀品質更細長的優秀稻米。

從實驗室發現產量和氮肥利用效率難以協同調控的關鍵分子機理，到大田里突破高產和氮高效難以協同改良的育種瓶頸，傅向東表示，這些都離不開長期深入的合作。從“沈農265”開始，傅向東和錢前的合作已持續了十幾年。“錢前院士的水稻資源很豐富，也非常懂農學。我是生物學出身的，沒學過農學，也沒種過田，回國之初對農業生產上的一些瓶頸問題兩眼一抹黑。從材料共享到專業互補，我們的合作一直非常緊密。’”傅向東說。

今年二月,中國科學院杰出科技成就獎獲獎名單中，除了兩位“老搭檔”，還有遺傳發育所青年研究員吳昆、副研究員劉倩和南京農業大學李姍，三位青年科學家都是近年來團隊培養的骨干人才。

  ?

兩位“老搭檔”。受訪者供圖

此外，傅向東表示，這些年的成績也離不開與育種家、企業家的合作。荃銀高科公司種業公司研究員張從合、嘉興市農科院研究員黃海祥以及中科院合肥物質院研究員吳躍進也是長期的合作伙伴。當培育出好的水稻材料時，他們會通過基因組測序找到背后的分子機制；在育種遇到困境時，他們會利用已發現的優異等位基因針對性地進行改造與補充，讓理論研究與育種實踐在相互“反哺”中共同成長。

與坐辦公室相比，傅向東更喜歡下田。

回國以來的18年，他每年的國慶節都是在稻田里度過的。他會和學生一起，仔細觀察田里作物的表型，分析它們與實驗預期是否存在差距，有時一些意料之外的表型會給他們的實驗打開新的窗戶。

類似中禾優系列品種的多基因設計與聚合實驗，傅向東與合作伙伴還在繼續嘗試。

在農業界，從實驗田產量到審定品種產量再到現實中的大田產量，每前行一步都有一個眾所周知的“溝差”，受土地質量、氣候條件等影響，每個溝差的產量差幅可達20%~40%。這使得當前我國水稻實驗產量盡管畝產已超1000公斤的高水平，但實際水稻平均畝產僅約480公斤。

隨著水稻實驗產能的高度釋放，傅向東希望，能夠通過減肥增效這條路，減少農民投入，降低環境污染。

稻田里的傅向東在觀察作物表征。受訪者供圖

一個關于未來的故事

今年1月，傅向東獲得了“新基石研究員項目”資助。獲獎名單公布后，一位評委給他發郵件祝賀，稱他在答辯中講了一個“打動人心的故事”。

此次采訪中，傅向東再次提及：到本世紀60年代，屆時作物生長環境與百年前“綠色革命”時期將完全不同，隨著全球氣候變暖與二氧化碳濃度增高，植物的光合作用無疑會增強。但植物根系對礦物元素的吸收能力卻會下降，特別是對氮肥吸收能力會大幅下降，可達28%。這意味著，未來環境對碳氮利用效率將會提出新挑戰。例如，如何把更多的二氧化碳變成光合作用的原料？如何在環境變化中調控植物的碳-氮吸收平衡？

這些挑戰性的問題，也是未來5年傅向東希望回答的問題。

對傅向東和他的團隊來說，這是壓力，也是動力。

他們已經找到了一些線索，比如碳-氮協同正調控基因GRF4及其互作網絡。下一步，他們希望將植物生長發育、氮素代謝和光合作用作為統一整體，探尋研究氮肥利用效率的新思路和新方法，助力實現“可持續型綠色革命”。

  ?

  ?

傅向東和團隊。受訪者供圖