杨行海:寻找开启水稻基因宝藏的钥匙
  • 发布单位:院办公室
  • 2021年07月14日 18时01分41秒
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广西农业科学院第二批青年拔尖人才系列报道之二

杨行海:寻找开启水稻基因宝藏的钥匙

水稻是重要的粮食作物,全世界一半以上的人口以水稻为主食。当前,气候变化和人口增长正使全球粮食供应面临风险,作物种质资源中优良等位基因的鉴定和有效利用是破解难题的有力手段之一。广西可能是栽培稻起源地,蕴藏着丰富的稻种资源。

“在国家长期库的8万多份水稻种质资源中,广西地方品种就有8500多份,数量居全国之首。虽然众多国内科研院所利用广西水稻种质挖掘了产量、品质、抗病虫害、耐逆等一系列重要农艺性状基因,但由广西科研单位鉴定的基因仍寥寥无几。基因资源已成为现代育种的关键,亟需从广西丰富的稻种资源中发掘优异的基因资源。”从事水稻种质资源基因发掘与分子育种研究的杨行海说道。

2014年8月,杨行海从桂林市农业科学院来到广西农业科学院水稻研究所工作,进入栽培稻种质资源研究室开展水稻重要农艺性状基因鉴定研究,在有关专家及同事们的关心和帮助下,经过6年多的不懈努力,在水稻复杂性状基因定位技术、重要基因功能研究方面取得了不菲的成绩。

刚到水稻所,在了解研究室主要研究方向是水稻种质资源基因挖掘后,杨行海心里没底,甚至感到了恐慌,此时距离他上一次做分子生物学实验已经过去了5年多。当他看到研究室最新开展的全基因组关联分析(GWAS)报告时,脑袋一片空白,分子标记由二代进入三代,以前价格高昂的基因组测序,现在已是“飞入寻常百姓家”了。

面对困境,他想起了研究生时期刚刚入门做科研的时候,导师曾讲授的在科研中“做中学”的理论,似乎明白了接下来该去做什么。

做实验、分析数据、验证结果,繁忙的2015年转瞬即逝。这一年,杨行海完成了419份水稻种质资源的数据分析,熟悉了水稻基因组3.8万个基因注释信息,掌握了利用GWAS鉴定水稻农艺性状基因。他在基因的世界里渐入佳境,竟发现自己已经迷上了这项工作。

“虽然利用GWAS分析可以快速鉴定植物性状基因,但是由于水稻属于自花授粉植物,LD衰减距离较大,实现目标基因的精细定位仍然很困难。怎样缩减候选区间?”杨行海又陷入了思考。

恰逢此时,QTL-seq技术成为了最流行的基因定位方法。但当将该技术应用于水稻复杂性状花青素基因定位的时候,杨行海与团队成员只获得了与前人研究完全一致的结果。“明明用GWAS技术已经关联出了新的花青素基因,为何用QTL-seq技术定位不到新基因?到底是哪里出现了问题?”杨行海一次次地反问自己。

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,杨行海圆满完成了水稻复杂性状基因定位技术PCAMP的概念提出、流程设计、实践操作和结果验证的全部目标。

随着简单快速高效实用的基因定位方法PCAMP出现,引起了国内外科研工作者的广泛关注,中国科学院遗传发育研究所、中国农业科学院棉花研究所、四川农业大学农学院等多家科研单位关注、咨询相关内容。此外,该项技术发明专利还授权给北京诺禾致源科技股份有限公司等9家公司使用。

对于如何从事科研工作,杨行海有着自己的宗旨。“一般来说,我会选择两种性状,‘一难一易,一慢一快’。这样的话,在科研中就会有持续的产出,不会背负太多包袱,同时可以让自己的研究能进入相关领域的先进行列。”杨行海与年轻的同事交流的时候,经常这样分享自己的科研经验。

如果说水稻花青素属于可以准确鉴定表型的性状,那么水稻的氮素利用效率则有难以捉摸的表现。本世纪初,我国科学家提出了“绿色超级稻”的理念,培育氮肥高效利用的水稻新品种成为解决农业生产和环境资源间矛盾的关键。

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。

基因挖掘的最终目标是育种利用,杨行海没有忘记这一点,他与合作伙伴将水稻花青素优良等位基因导入多种类型品种中,经过多年的努力,培育出了“桂黑丝占”“桂丰黑糯169”“晶紫糯166”等富含花青素、食味品质佳的新品种,可谓“既好看又好吃”。在团队成员共同努力下,围绕OsNPF3.1基因,杨行海与团队成员建立了水稻氮素利用效率近等基因系,10个表现优良的水稻品种获授植物新品种权保护,它们将为培育水稻氮高效利用品种发挥重要作用。

“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,广西农业科学院科技进步一等奖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。

“既然选择了远方,便只顾风雨兼程。”回望多年来一头扎进科研的海洋,寻找开启水稻基因宝藏的钥匙,面对前行道路上诸多困难和艰苦掀起的巨浪,杨行海毫无畏惧,乘风破浪,勇于创新,敢于突破,终收获累累硕果。

“过往终将过去,未来我们共同期待!”杨行海乐观自信地说道。


杨行海在构建水稻基因编辑载体

    

杨行海在田间筛选水稻优异种质

院办公室  薛臣艺供稿/杨行海供图  杨景峰审核

责任编辑:薛臣艺