打破萬年宿命！中國科學(xué)家這項(xiàng)研究登上《科學(xué)》封面（有視頻）

文 ｜ 《中國科學(xué)報(bào)》 記者 馮麗妃 見習(xí)記者 江慶齡

如果時(shí)間回到8年前，中國科學(xué)院院士韓斌和合作者王佳偉可能不會(huì)想到，一次不經(jīng)意的跨界合作，會(huì)讓他們找到控制水稻壽命的基因“鑰匙”。

一粒稻種，落地生根，開花結(jié)實(shí)，隨后枯萎死亡——這是人類馴化水稻的生命軌跡。

而今，這一“宿命”被打破了：中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）研究員韓斌與王佳偉團(tuán)隊(duì)合作，挖掘出水稻“長壽”基因，有望讓人類馴化水稻在收獲后“返老還童”，從“一年生”作物回歸“老祖先”野生稻的“多年生”特性。近日，相關(guān)研究成果以封面論文形式發(fā)表于《科學(xué)》。

國際科學(xué)界認(rèn)為，這是一項(xiàng)非常重要的進(jìn)展，有望讓水稻“像蘋果樹一樣，實(shí)現(xiàn)‘一次栽種，多年收獲’”。日本名古屋大學(xué)的植物遺傳學(xué)家Moto Ashikari在接受《科學(xué)》采訪時(shí)評(píng)價(jià)稱：“這項(xiàng)研究提供了強(qiáng)有力的概念驗(yàn)證：通過基因手段，一年生作物有望被改造成多年生作物。”‘

《科學(xué)》封面圖。

聯(lián)手追蹤“遺失的鑰匙”

故事的起點(diǎn)，源于2018年一場不經(jīng)意的聊天。

“韓老師，你們最近在忙啥？”

“我們剛發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的基因片段，你有沒有興趣？”

在匯聚植物學(xué)、昆蟲學(xué)與合成生物學(xué)等學(xué)科門類的分子植物卓越中心，很多時(shí)候，合作不需要什么“正式”的程序。餐廳、咖啡廳，或是散步時(shí)偶爾碰到，聊上幾句，契機(jī)就來了。

“60后”的分子植物卓越中心主任韓斌和“70后”的中生代科學(xué)家王佳偉就是在這樣的情境下一拍即合，決定一起尋找水稻的“長壽”基因——控制水稻生命周期的“開關(guān)”，讓這種主糧作物種一年、連收數(shù)年。

“在植物學(xué)領(lǐng)域，有一句話是‘年年歲歲花相似，歲歲年年花不同’。”韓斌說，“很多植物，特別是一年生植物，一旦開花，就會(huì)走向死亡。”

對(duì)于水稻來說，自然界未經(jīng)馴化的野生稻是多年生的，但人類馴化的栽培稻卻是一年生的。這是人類上萬年選育的結(jié)果——要收獲有營養(yǎng)的種子，付出的代價(jià)就是壽命縮短。

“袁隆平先生的夢(mèng)想是‘禾下乘涼’。未來，能不能像收獲木本植物的種子那樣收獲水稻這樣的禾本植物，減少年年耕種對(duì)土地、勞動(dòng)力的消耗？”這是韓斌多年的夢(mèng)想。

問題的關(guān)鍵在于找到遺失在歷史長河里的那把“長壽”基因“鑰匙”。這并不容易。

韓斌和王佳偉一開始并不確定，他們能做的只有盡可能發(fā)揮各自團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)。韓斌團(tuán)隊(duì)長期深耕水稻基因組和遺傳學(xué)研究，擁有珍稀的野生稻資源、高效的復(fù)雜基因組鑒定方法；王佳偉團(tuán)隊(duì)則擅長植物發(fā)育生物學(xué)研究，尤其是多年生植物年齡研究。

“從理論上來說，這件事是可行的。”韓斌解釋說，將野生稻與栽培稻雜交并反復(fù)回交，把野生稻的所有單基因片段全部“替換”到栽培稻的基因組中，再逐一檢測(cè)其能否讓栽培稻變成多年生，就能“揪出”那個(gè)“長壽”基因。

這注定是一場“馬拉松式”的研究。由于生殖隔離，野生稻和栽培稻雜交成功的概率極低。

海南小院里的野生稻。

2012年，韓斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展水稻起源研究時(shí)，從全世界收集了400多份野生稻。為了養(yǎng)好這些“寶貝”，他在海南租了一個(gè)農(nóng)家院。直到2018年，經(jīng)過6年“蹲守”雜交，他們才將控制多年生性狀的基因鎖定在水稻1號(hào)染色體上的一個(gè)小區(qū)域。“有點(diǎn)眉目了，但還沒有完全確定。”韓斌回憶說。

與王佳偉的合作恰逢其時(shí)。兩位科學(xué)家?guī)е慌?0后”“90后”青年學(xué)者攻克難關(guān)，經(jīng)過反復(fù)搜索確定了一個(gè)目標(biāo)。

“無盡的分枝與分蘗”

通過對(duì)446份野生稻資源的系統(tǒng)研究，合作團(tuán)隊(duì)終于找到了那把“鑰匙”——植物發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的“明星分子”miR156。過往研究認(rèn)為，miR156在植物幼苗期高表達(dá)，維持幼年?duì)顟B(tài)；隨著植物生長，其表達(dá)量逐漸降低，植物隨之衰老并進(jìn)入生殖生長。

合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在野生稻中，miR156由兩個(gè)串聯(lián)排列的微小RNA——MIR156B和MIR156C組成。它們的表達(dá)量會(huì)隨著植物年齡增長而減少，但在野生稻開花后，串聯(lián)基因又會(huì)重新啟動(dòng)，回到高水平，逆轉(zhuǎn)腋芽發(fā)育程序，使其恢復(fù)營養(yǎng)生長，不斷長出新分蘗，重復(fù)生長、開花、結(jié)籽的歷程。

新發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)師生為之雀躍。分子植物卓越中心高級(jí)工程師呂丹鳳仍記得那個(gè)瞬間——當(dāng)博士生戴冰馨將帶有熒光標(biāo)記的基因轉(zhuǎn)入水稻生長點(diǎn)，她在顯微鏡下捕捉到miR156的表達(dá)在開花后先降后升、重新激活。“觀察到那個(gè)結(jié)果的時(shí)候，我們特別興奮，覺得太神奇了。”

韓斌的學(xué)生、如今在德國萊布尼茨植物遺傳與作物研究所進(jìn)行博士后研究的陳二旺，給這個(gè)基因起了一個(gè)形象的名字——EBT1（Endless Branches and Tillers 1），意為“無盡的分枝與分蘗”。

有趣的是，miR156是王佳偉研究了近20年的“老朋友”。此次在野生稻中的意外發(fā)現(xiàn)，讓兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究奇妙交匯。“看到這個(gè)結(jié)果時(shí)，我簡直是拍著大腿恍然大悟：我怎么早沒有想到這個(gè)基因！”王佳偉難掩興奮。

研究到這里只進(jìn)行了一半，還要驗(yàn)證這把“鑰匙”的功能。戴冰馨記得，2020年的一次討論中，韓斌在辦公室小黑板上邊畫出一株水稻邊說：“如果將EBT1基因和匍匐基因聚合到栽培稻中，讓水稻分蘗角度變大，莖稈倒伏后，分節(jié)落地扎根，豈非又會(huì)形成一個(gè)新的植株？”

根據(jù)這個(gè)設(shè)想，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了四五年的水稻雜交、自交，終于將EBT1與科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)水稻匍匐基因PROG1和TIG1聚合。新創(chuàng)制的水稻能像野生稻一樣匍匐生長，在海南田間環(huán)境中已存活兩年，不止一次結(jié)出籽實(shí)。

回憶8年研究歷程，戴冰馨坦言，壓力是實(shí)實(shí)在在的。她從2017年入學(xué)起便投身這項(xiàng)研究，直到2023年博士畢業(yè)，一篇論文也沒發(fā)表。看著同學(xué)陸續(xù)有成果產(chǎn)出，“同輩壓力”一度讓她焦慮到極點(diǎn)。

關(guān)鍵時(shí)刻，兩位老師的支持讓她堅(jiān)持了下去。戴冰馨每周六去王佳偉實(shí)驗(yàn)室討論，有時(shí)沒有新進(jìn)展，她覺得“交不了差”。王佳偉寬慰她，分享最近的文獻(xiàn)也有裨益，不一定每次都要匯報(bào)新進(jìn)展。韓斌則常告訴她：“道可致而不可求。可以努力去實(shí)現(xiàn)，但不要強(qiáng)求。功夫到了，結(jié)果自然會(huì)來。”

研究團(tuán)隊(duì)在交流（從左至右依次為王佳偉、韓斌、戴冰馨、呂丹鳳）。

在海南，他們?cè)诹胰张c風(fēng)雨中反復(fù)淬煉。炎熱的夏天，他們“全副武裝”——穿長靴、裹防曬，在濕熱中作業(yè)。有時(shí)遇到暴雨，水深齊膝，田里的水渠都被沖垮了。暴雨稍歇，他們就會(huì)蹚著看不見路的積水，推著自行車慢慢挪進(jìn)田里，“心里只希望我的苗不要被沖走了”。

這份淬煉，最后都化為滿滿的喜悅。

不是句號(hào)

論文登上封面的背后，還有一段不為人知的曲折經(jīng)歷。2024年12月，在論文修改階段，審稿人要求補(bǔ)充田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明材料能存活兩年以上。

團(tuán)隊(duì)在海南大田里補(bǔ)充了10個(gè)月的田間試驗(yàn)，雜交稻“在田里長得特別好看”。然而，一場意外的農(nóng)田整修時(shí)，大車開過，把田里的苗全部壓死了。

所幸，戴冰馨“留了一手”——在小院的缸里也種了一份。缸里的苗因空間受限，長得像蘑菇頭，無法呈現(xiàn)大田里的舒展姿態(tài)。為了向編輯展示，他們把缸里的苗挖出來，擺成一個(gè)圓盤狀拍照。沒想到，這張“陰差陽錯(cuò)”的照片，最終被《科學(xué)》選為封面。“這或許是堅(jiān)持帶來的好運(yùn)。”呂丹鳳笑著說。

王佳偉表示，這項(xiàng)研究的成功得益于分子植物卓越中心多年來形成的多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)。“關(guān)起門來，靠自己力量總是弱一些的，合作起來能夠更好地促進(jìn)發(fā)展。”他說。

四位論文作者。韓斌（左一）和王佳偉（右一）為通訊作者，戴冰馨（右二）和呂丹鳳（左一）為第一作者。受訪者供圖

盡管水稻“長壽”基因成果已登上《科學(xué)》封面，但相關(guān)研究尚未畫上句號(hào)，從“植株”到“品種”還有很長的路要走。

多年生野生稻籽粒小、產(chǎn)量低。將栽培稻從一年生變成多年生后，如何提高品質(zhì)和產(chǎn)量是個(gè)難題。韓斌對(duì)此持樂觀態(tài)度。“雖然多年生栽培稻的單季產(chǎn)量可能略低于傳統(tǒng)高產(chǎn)稻，但考慮到節(jié)省種子、人力和減少耕作等，其綜合效益巨大。”他說。

同時(shí)，這一基因資源不僅可用于水稻，還有望拓展至飼草作物。“如果把EBT1導(dǎo)到飼草里，讓它長得更茂盛，對(duì)提高飼草產(chǎn)量有很大意義。”韓斌說。

韓斌認(rèn)為，做“從0到1”的強(qiáng)芯研究很重要，但“從1到10”的落地也需要投入。據(jù)介紹，分子植物卓越中心為此成立了知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化處，鼓勵(lì)每個(gè)課題組把成果主動(dòng)地、有組織地加以轉(zhuǎn)化。關(guān)于“長壽”基因的落地，他希望用四至五年的時(shí)間，選育出品質(zhì)更好的多年生水稻材料。

王佳偉則描繪了一幅未來農(nóng)業(yè)的圖景：“在貴州、云南的坡耕地、梯田上，大型機(jī)械化裝備上不去。有了多年生水稻之后，農(nóng)民就可以像種茶樹一樣，每年收獲。”

相關(guān)論文信息：

http://doi.org/10.1126/science.adv2188

本文來源：中國科學(xué)報(bào)微信公眾號(hào)，《中國科學(xué)報(bào)》 (2026-03-30 第1版 要聞)。

（本文編輯：劉四旦）

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