【上海科協】在田間地頭“尋寶”的作物遺傳學家 ——記2020年上海“最美科技工作者”林鴻宣

  林鴻宣,自2001年回國工作以來,他以科學家高度的社會責任感和嚴謹務實的科學態度,夜以繼日地帶領研究團隊致力于水稻分子遺傳學研究,親自帶領助手、研究生到條件艱苦的上海松江農場和海南基地進行試驗,頂著烈日酷暑,往往一干就是一天,甚至連續幾天。經過20年潛心研究,他終于在水稻重要復雜性狀研究方面做出了系統性和原創性工作,成功分離克隆多個水稻基因或QTL,并闡明性狀分子調控機制,為作物改良提供有自主知識產權的新基因。

  有人說,在田間地頭,如果不熟悉林鴻宣的人,都會把他當作種地的老農:今年整60歲的他皮膚黝黑,身材瘦削,穿著某個學術會議的文化衫,還操著一口海南口音。

  其實,林鴻宣的真實身份是一位作物遺傳學家、中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越研究中心研究員。20多年時間,他來往于田間地頭和實驗室,幾乎將所有時間都在水稻的基因世界里“尋寶”,只為找到那些可以改良水稻品質的優良基因,為讓人類不再受饑餓的困擾作貢獻。

  “海選”出最佳基因

  1960年出生于海南省的林鴻宣,似乎骨子里就打上了那個饑荒時代的特殊烙印。

  “糧食是非常重要的問題。”從大學開始,到研究生學習及后續的工作和科研,林鴻宣幾乎從未改變過自己的初心——就是研究出產量更高、抗性更好的水稻,讓糧食問題不再有危機。

  “讀大學時,國內做的還是基于經典遺傳學方面的工作,研究依據是水稻性狀表型,不知道基因序列,研究手段還停留在宏觀層面。”讀博士開始,他接觸到分子標記工作,人類對水稻的研究已經深入到基因層面。盡管如此,國內外在這個領域技術差距依然很大。1995年,林鴻宣博士畢業后決心去日本交流學習。

  直到2001年,他在《人民日報》(海外版)看到中科院上海生科院植物生理生態研究所(現分子植物科學卓越研究中心)的招聘廣告后,決定提前結束國外博士后研究,回國為中國水稻遺傳學研究作出自己的貢獻,擔任作物遺傳與功能基因研究組組長。

  對于遺傳學來說,性狀很重要,而真正觀察基因所表現的性狀,一定要在大田里,在大自然環境下。于是他帶領研究組,每年要在上海市郊的農場大田里種植十幾萬株水稻遺傳材料,在其中收集幾萬株樣本,無異于大海撈針。

  在茫茫基因的大海里找到一兩個有用的基因,談何容易!

  年過花甲 依然親自下地

  種植水稻,需要每年5月播種,6月插秧,最熱的七八月取樣,9月收種。由于需要對幾千、幾萬株水稻進行排號標記,很多體力活只能自己來完成。林鴻宣團隊頂著烈日酷暑,往往一干就是1天,甚至連續幾天,中暑也是常事。

  但即使年過花甲,林鴻宣還總是親自帶著學生下農田,觀察水稻生長性狀,收集樣本。每次下田,他和學生對每個樣本都要仔細核對,因為一旦搞錯,就會使實驗數據出錯,前功盡棄。

  為了多積累材料,冬季他們還赴海南南繁基地種植水稻,因為海南冬天氣候好,水稻可以多種一季,可以加快實驗速度。除了記錄性狀,還要在實驗室里抽取大量樣本的DNA、鑒定基因型。都說基因可以改變世界,但要找到它可不容易。成千上萬株水稻,要一株一株地做標記。從定位基因到解析出它的功能,中間要花費六七年時間。

  水稻遺傳學研究,注定是個孤獨的領域,往往需要數年磨一劍。首先,由于水稻種植需要一定周期,找到基因需要3年左右,對基因進行功能研究又需要3年多。從發掘基因到完成機理研究,至少需要6年時間。

  “這很考驗我們的耐力、毅力、體力,還有智慧。”林鴻宣說,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,他對研究生的選擇有兩個很重要的標準:一是真的感興趣,二是能吃苦。

  5年沒有重要成果 堅信科研需要積累

  回國后的頭5年時間,林鴻宣的實驗室卻一直是靜悄悄的,很少發表論文,在喧鬧的中國生物學界,顯得與眾不同。

  林鴻宣說:“這得感謝所里對我們沒有論文的考核壓力。”但即使如此,5年沒有成果,就意味著沒有影響力,也難拿到項目經費。可想而知,他的壓力有多大。

  但他堅信,科研是需要積累的。

  隨著城鎮化建設,耕地面積逐年減少,而我國人口不斷增加,對于人口大國,保障糧食安全是頭等大事。“很多耕地因為化肥使用過多,逐漸鹽漬化,影響耕地超過幾億畝。另外由于全球氣候變化,尤其是長江中下游地區,極端高溫天氣越來越頻繁,導致水稻減產達到30%—50%,并且品質也下降。”林鴻宣擔憂地說,依靠科技進步提高作物單產是根本出路。

  開展水稻復雜性狀遺傳學研究,發掘關鍵基因資源,為改良水稻提供理論基礎,對保障糧食安全有重大戰略意義。而重要復雜性狀如抗逆、產量是由多個數量性狀基因控制,遺傳機理復雜,研究難度大,富有挑戰性。

  不但如此,這些研究也很難進行成果轉化,產生很大規模的經濟效益。“我從來沒考慮過經濟效益,也幾乎沒有成果轉讓的案例。我只想把研究做好,造福于民。” 近20年來,他執著地只想做好一件事:把水稻的產量和抗逆性做得更好。

  面向農業發展重大戰略需要,林鴻宣選擇重大科學問題作為主攻方向,哪怕這個領域需要苦熬多年,甚至沒有什么經濟效益。但他依然甘于寂寞、不懈努力。

  一分耕耘一分收獲,厚積終于迎來了薄發。2005年,他帶領團隊采用圖位克隆方法成功分離克隆了控制水稻耐鹽性狀的數量基因(QTL)SKC1,深入闡明了該基因的生物學功能和耐鹽作用機理,相關論文刊登在國際著名學術雜志《自然-遺傳學》上。這是國際上首次成功克隆的農作物抗逆QTL;2007年,他帶領研究組成功分離克隆了控制水稻粒重的基因(GW2),為闡明作物產量性狀的遺傳機理提供重要新線索,為作物高產育種提供重要新基因,相關論文發表于國際著名學術雜志《自然-遺傳學》上;2008年,他的團隊從“海南普通野生稻”中成功克隆控制株型的關鍵新基因PROG1,闡明了水稻株型馴化的遺傳機理,同時為高產株型育種提供重要新基因,相關論文刊登于國際著名學術雜志《自然-遺傳學》上;2015年,他帶領團隊從非洲稻中成功克隆了控制水稻抗熱數量基因TT1,揭示了抗熱新機制,為作物抗熱育種提供有價值的新基因,相關論文第4次刊登于國際著名學術雜志《自然-遺傳學》上……

  他的研究組一直不斷做出創新性的成果,最近又有新研究成果發表于國際著名學術雜志Nature Communications、Plant Cell和Molecular Plant等上。

  抗熱、耐鹽、抗旱、粒型、株型等一系列與水稻生產密切相關的“重量級”基因,被林鴻宣和他的同事打上了“中國發現”的標記,有較大影響力。并且這些基因已被育種家索取開展作物育種應用研究。

  由于成果突出,林鴻宣獲得了各種獎項:以第一完成人榮獲2012年度國家自然科學獎二等獎、2007年度上海市自然科學獎一等獎、2010年度何梁何利獎、2019年度談家楨生命科學成就獎……

  “成果都是一步一個腳印做出來的,不是一朝一夕的事。”他說,“現在又是一個新的起點,要為中國多注冊幾個水稻功能基因的專利,要對得起國家給的科研經費。要為中國在國際水稻研究界立起更高的地位。”

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