傅向東：破譯水稻少肥高產(chǎn)密碼

文/操秀英

春節(jié)期間，一則“傅向東團隊發(fā)現(xiàn)赤霉素信號傳導新機制提高水稻氮肥利用效率”的新聞淹沒在疫情防控的信息里，但這一新發(fā)現(xiàn)還是在業(yè)內(nèi)引起很大關注。

這一篇榮登《科學》雜志封面的文章，深化了對植物赤霉素信號傳導和氮素響應之間復雜的相互作用機制的理解，是傅向東團隊十多年來深耕赤霉素和氮素協(xié)同調(diào)控水稻生長發(fā)育機制的又一重磅成果。通俗來講，傅向東的研究內(nèi)容是，如何在減少氮肥使用的情況下提高水稻的產(chǎn)量。

“創(chuàng)新為民，惠澤五州”，在傅向東的辦公室里，小麥遺傳育種學家、中國科學院院士李振聲的題字非常醒目。這正是傅向東的初心和快樂源泉。“能將自己的研究興趣和國家需求結合在一起，是非常幸福的事。”傅向東說。

“沒辦法，我就喜歡搞研究”

“人一旦喜歡了一件事，就不會考慮太多東西。沒辦法，我就喜歡搞研究。”傅向東說，他對遺傳學的興趣從高中就開始了。

在中學的生物課中，關于人類ABO血型的遺傳讓傅向東對基因產(chǎn)生了興趣。“我覺得太有意思了，A型的父親和B型的母親，可以出現(xiàn)A型、B型、AB型，還可能會有O型血的小孩。這是為什么？”傅向東回憶，那時候最喜歡做的考試題，莫過于通過一系列附加條件推導出父母血型的這一類遺傳題目。

就這樣，高考填報志愿時，在大多數(shù)學生對專業(yè)還一頭霧水時，傅向東堅定選擇了武漢大學生物系遺傳學專業(yè)。“當時有老師勸我考慮一下熱門專業(yè)，但我這人一旦有了想法就會堅持。”他笑著說。

這種執(zhí)拗和堅定讓傅向東總是喜歡挑戰(zhàn)難題。

在英國約翰英納斯研究中心留學期間，傅向東師從英國皇家學會會員、牛津大學教授尼克哈伯德，這位著名的遺傳學家一輩子專注于赤霉素調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的機理研究。

上世紀60年代，以降低農(nóng)作物株高、半矮化育種為特征的第一次“綠色革命”，使得全世界水稻和小麥產(chǎn)量翻了一番，解決了溫飽問題。

“早在上世紀30年代，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)赤霉素這種化合物能夠促進植物生長，但它具體是如何調(diào)控的，這個機理不清楚，我所在的實驗室主要工作就是利用擬南芥這種模式植物，來研究赤霉素的調(diào)控機理。”傅向東說。

半個多世紀之后，被打上“綠色革命”烙印的水稻、小麥讓農(nóng)學領域的專家開始被另一項新的問題困擾。

“半矮化農(nóng)作物株高變矮了使得它對化肥不敏感，帶來的后果就是氮肥的利用效率也下降了，農(nóng)民大量施肥，但并沒有獲得他們想要的產(chǎn)量，同時又帶來了環(huán)境問題。”傅向東說。

在英國，傅向東用實驗證明了“綠色革命”矮稈品種氮吸收能力降低這一事實。“我的導師都覺得不可思議。”傅向東回憶。

“我們構建了帶有‘綠色革命’矮稈基因和不帶矮稈基因的水稻和小麥近等基因系，系統(tǒng)比較了矮稈基因?qū)ιL發(fā)育和氮素代謝的影響，發(fā)現(xiàn)植株變矮后的氮素吸收和同化能力確實下降。”傅向東說，此外，雖然帶有“綠色革命”矮稈基因的水稻和小麥的分蘗數(shù)增加，但每穗上的種子數(shù)量是減少的。

如何在現(xiàn)有矮化品種高產(chǎn)抗倒伏的優(yōu)良性狀基礎上，提高其氮素利用效率；或者在現(xiàn)有施肥條件下，有沒有辦法提高每穗的穗粒數(shù)？這成為縈繞在傅向東心頭的問題。

將個人興趣與國家需要相結合

帶著這兩個問題，傅向東不再滿足于擬南芥的研究，他更想做些離育種實踐更近的內(nèi)容。

他選擇了回國。雖然彼時，中科院遺傳與發(fā)育生物學研究所條件不算好，“但這里是水稻功能基因組學研究的國家隊，而且所里氛圍很好，我想做一些對國家有用的事情。”傅向東說。

當時，傅向東不想再研究赤霉素的作用機理。“別人都已經(jīng)做幾十年了，我更想開辟一個新的方向。”他回憶。

他開始解碼“超級稻”高產(chǎn)性狀形成的分子機理。研究目標很明確，就是希望把提高產(chǎn)量的關鍵基因找出來，將來可以利用它進一步通過分子育種來提高作物產(chǎn)量。

“我們從高產(chǎn)品種‘沈農(nóng)265’克隆了直粒穗基因DEP1，研究它的高產(chǎn)機理。”傅向東說，“運氣很好，很快分離出DEP1，GW8，NPT1和LGY3等一批高產(chǎn)基因。”

讓他欣慰的是，此后，育種學家們利用其團隊的研究成果，成功培育出不少高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種。

但慢慢地，他發(fā)現(xiàn)，要想在減少氮肥施用的同時提高作物產(chǎn)量，解決我國農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切需要解決的環(huán)境制約問題，還是得解答當年他在英國時思考的問題。他說，化肥能促進植物的生長發(fā)育，就像人類吃飯一樣，植物也需要“吃飯”，這一既能吃飽又無需花費時間減“肥”的值，正是他和學生們迫切尋找的答案。

傅向東團隊一頭扎進植物生長——代謝平衡的協(xié)同機制研究。

十多年來，傅向東團隊找到與植物氮素吸收及利用率密切相關的基因GRF4，從分子水平上揭示了“綠色革命”矮稈育種伴隨氮肥利用效率降低的原因，并提出了明確的解決方案。

在此基礎上，他帶領團隊以水稻產(chǎn)量性狀對氮素營養(yǎng)的響應為切入點，找到了赤霉素和氮素協(xié)同調(diào)控水稻分蘗的關鍵基因NGR5，闡明了NGR5介導的赤霉素信號傳導途徑調(diào)控水稻氮肥利用效率的分子機制。

他現(xiàn)在最關心的問題是如何與育種家、種業(yè)公司加強合作。“希望我們的基礎研究可以和育種家的實踐經(jīng)驗相結合，推動育種技術的進步。”傅向東說。

不要NO.2更不要Me too

傅向東是個溫和隨性的人。“沒大沒小”，是別人對他們實驗室的評價，“沒有距離感”，則是學生們對傅向東的評價。

每到學生們?nèi)ズＤ嫌N基地的時候，傅向東總會在工作結束后請學生們吃飯，喝椰汁，偶爾也會小酌一杯或是一起去唱歌。他悉心捕捉著學生們的情緒變化，“學生們有些平時不敢說出口的壓力，這個時候就能抒發(fā)出來了。”他笑道。

就像發(fā)論文要少而精一樣，傅向東帶的學生也不多。迄今為止，他總共培養(yǎng)了20余名學生。他確保每個學生都能被關注。在他朱紅色辦公桌的左側，碼放著9沓厚厚的、貼有名簽的文件，這些做滿彩色標記的手稿，記錄了他和學生的每一次談話。

讓人意外的是，他見到前來報考的學生第一句話竟然是勸學生再考慮考慮。“我會告訴學生兩點，第一，實驗室特別苦，第二，發(fā)文章特別慢，說不定到畢業(yè)時都沒有文章。”

他“把丑話說在前頭”的目的是希望找到那些對研究真正感興趣的學生。“這是他們?nèi)松蠲篮玫臅r光，如果浪費在自己不感興趣的事情上，他不開心，我更不開心。”傅向東說。

“做研究就要做Number One，不要Number Two，更不要Me too。”這是傅向東常對學生們說的話。他要求學生們多思考，少做無用功。

他會勸學生早點兒回家。“做科研更多的是要思考，學生們需要加強的是多思考、多總結，少走彎路。”傅向東說，這也是他在英國留學多年學到的最寶貴的內(nèi)容之一。

至于發(fā)論文，他要求學生必須能講一個完整的故事。“一個人能被人記住的文章不多，倒不如做些能被記住的事。”傅向東說，因為發(fā)論文在他面前哭鼻子的學生不止一個。

他認為這是做科研的日常。相比水稻DEP1基因功能研究的“運氣”，傅向東還進行著更多“令人郁悶的研究”。有些2005年就開始做的研究項目，到現(xiàn)在也沒有很大的突破。學生們也很郁悶，但是沒辦法，因為他覺得“不應該輕言放棄”。

“一個東西只要你認準了，就不要放棄。”他經(jīng)常對學生說，“只有走錯一步才會走對下一步，如果一開始就知道結果，那是工程不是科研。”