楊行海:尋找開啟水稻基因寶藏的鑰匙
  • 發布單位:院辦公室
  • 2021年07月14日 18時01分41秒
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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:尋找開啟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為主食。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。雖然眾多國內科研院所利用廣西水稻種質挖掘了產量、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?;蛸Y源已成為現代育種的關鍵,亟需從廣西豐富的稻種資源中發掘優異的基因資源?!睆氖滤痉N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,在水稻復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后,楊行海心里沒底,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么。

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。他在基因的世界里漸入佳境,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技術成為了最流行的基因定位方法。但當將該技術應用于水稻復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?!懊髅饔肎WAS技術已經關聯出了新的花青素基因,為何用QTL-seq技術定位不到新基因?到底是哪里出現了問題?”楊行海一次次地反問自己。

經過認真地查閱經典書籍、審視實驗設計和梳理分析流程后,他發現了QTL-seq存在的局限性。隨后,楊行海創建了將F2分離群體依據表型值分級分組,兩兩比較分析的PACMP技術。實踐證明,PACMP有效解決了水稻復雜性狀基因定位的困難。鑒于PCAMP技術的新穎性,該研究結果被國際著名植物學雜志Plant Biotechnology Journal選為封面文章發表。

為了進一步驗證PCAMP技術的有效性和實用性,楊行海選取其中一個新基因為后續研究對象,巧妙地構建了多基因控制性狀的單基因分離群體,實現了水稻花青素生物合成關鍵調控基因OsTTG1的圖位克隆和功能研究,揭示了其影響水稻各個組織器官花青素積累的分子基礎。該研究結果于2021年4月發表在植物學經典期刊The Plant Journal上。2021年6月,國內水稻權威數據庫國家水稻數據中心正式收錄OsTTG1,標志著這一研究在國際上率先完成OsTTG1的克隆,并得到學術界的認可。

至此,楊行海圓滿完成了水稻復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?!耙话銇碚f,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產出,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?!睏钚泻Ec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準確鑒定表型的性狀,那么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為解決農業生產和環境資源間矛盾的關鍵。

國內外多個知名團隊研究結果表明,克隆水稻氮素利用效率基因是很困難的,但楊行海欣然接受了這一挑戰。在閱讀眾多文獻后,楊行海意識到表型精準鑒定是基因精細定位的基礎,對于氮素吸收利用基因鑒定來說尤其如此。他針對水稻氮素吸收利用率,建立了一套高效、準確的表型鑒定方法,保證各株系氮素背景的一致。隨后,水稻氮素利用效率基因OsNPF3.1被圖位克隆,該基因在正常氮肥水平下可以顯著提高水稻生物產量,應用潛力巨大。目前,部分研究結果在植物科學領域期刊Frontiers in Plant Science和BMC Plant Biology上發表。

基因挖掘的最終目標是育種利用,楊行海沒有忘記這一點,他與合作伙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,它們將為培育水稻氮高效利用品種發揮重要作用。

“春種一粒粟,秋收萬顆子?!币宦纷邅?,楊行海主持各類項目10余項,其中國家自然科學基金2項;獲廣西科技進步二等獎1項,廣西農業科學院科技進步一等獎2項、二等獎2項;獲授權植物新品種權10個,選育水稻品種6個;以第一完成人獲授權國家專利10項,其中發明專利4項,并成功轉化1項,授權計算機軟件著作權4項;以第一或通訊作者在Plant Biotechnology Journal(封面文章)、The Plant Journal等期刊上發表SCI論文8篇,總影響因子32.432,參編專著3部。擔任國家自然科學基金項目的評審專家,擔任Molecular Breeding、Scientific Reports、Plant Molecular Biology Reporter等外文期刊reviewer,被國際知名農業刊物Journal of Experimental Agriculture International評選為2020年度優秀審稿專家。

“既然選擇了遠方,便只顧風雨兼程?!被赝嗄陙硪活^扎進科研的海洋,尋找開啟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

院辦公室  薛臣藝供稿/楊行海供圖  楊景峰審核

責任編輯:薛臣藝

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