他們在尋找玉米抗旱的關鍵“鑰匙”

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在中國農業大學的溫室實驗基地，玉米長得郁郁蔥蔥，秦峰教授指著這些生機盎然的材料向學生傳授著關于玉米抗旱基因挖掘的知識。她對學生們寄予了厚望，“玉米的逆境適應性研究還得繼續深入才行。”

從21年前秦峰還在清華大學讀博時，就已經開始從事植物抗逆基因的克隆和功能研究，她對這個領域有著很深的感情。

這一次，她帶領的科研團隊完成了對一種玉米抗旱優異種質資源的基因組的高質量組裝，以及對它的抗旱基因進行了詳細的解析。2月21日，這項研究發表在Nature Genetics上，秦峰在接受《中國科學報》采訪時講述了背后的科研故事。

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秦峰（左二）在中國農業大學的溫室實驗基地指導學生。     受訪者供圖

追求產量可能忽視抗逆性

隨著全球的氣候變化，極端天氣發生的頻率越來越高，對農業而言，干旱可以說是最具破壞力的一種自然災害。

聯合國糧農組織有過一個統計，2005年至2015年期間，干旱在全球范圍內造成了農業領域290億美元的損失，在所有自然災害中排第一。

作為主要肇事者之一，干旱非但沒“踩剎車”，未來還可能會日益加劇。聯合國數據顯示，預計到2050年，全球超四分之三的人口或將受干旱影響。

這是秦峰把研究方向瞄準玉米抗旱的原因之一。“還有一個原因是，隨著玉米品種的不斷選育和改良，大家更多的是追求產量，可能導致玉米對于逆境的適應性降低。”秦峰說。

一位美國斯坦福大學的學者曾做過一項調查，美國玉米商業化育種水平非常高，在過去80年間增長了4~5倍，他發現從1995年到2012年的品種改良產量雖然升高了，但抗旱性有所下降。

玉米是我國第一大農作物，要發展好玉米產業，就得對威脅玉米高產、穩產的干旱“下手”。科研人員意識到，當務之急需要盡快鑒定玉米抗旱種質資源、解析其遺傳基礎。

尋找抗旱關鍵“鑰匙”

2004年從清華大學博士畢業后，秦峰到日本國際農林水產業研究中心一個專攻植物抗旱性研究的實驗室做了6年的博士后，主要用模式植物擬南芥進行抗旱基因的克隆和功能解析。

2010年回國后，秦峰又在中國科學院植物研究所工作了6年。這期間，她跟國內一些科研單位合作，對全球不同地區一些主要的玉米種質資源進行抗旱性的評價工作。

正是有了這些前期的積累，關于玉米抗旱性挖掘的工作才得以繼續深入下去。“我們發現了一個來自墨西哥的熱帶種質材料，它具有非常優異的抗旱性。”秦峰表示，她當時就下定決心要把這個基因組組裝好。

這篇論文的研究工作跨越了7年，這期間測序技術不斷更迭，秦峰也要根據測序技術的發展調整組裝工作，這對她來說是一次不小的挑戰。“我的知識背景是做克隆和生物學解析，實際上在基因組學和生物信息學方面，我還需要學習。”

之前，秦峰帶領團隊通過全基因組關聯分析和干旱應答基因表達的數量性狀位點解析，確定了108個可能對抗旱性有貢獻的基因。

這一次，他們發現在這個具有優異抗旱性的種質材料CIMBL55的基因組里至少攜帶了65個抗旱基因的優異等位變異，推測這可能是構成其優良抗旱性的遺傳基礎。

“我們對其中一個抗旱基因進行了深入的功能分析，發現了一個叫做ZmRtn16的基因很神奇，這個基因一旦缺失，會使玉米的抗旱性顯著降低。”秦峰說。

在轉基因材料中增強ZmRtn16的功能可顯著提高玉米苗期和全生育期的抗旱性。在田間干旱脅迫下，ZmRtn16轉基因材料的產量顯著高于對照材料，而不影響其正常條件下的產量。

這項研究為玉米抗旱性的遺傳改良和分子設計育種提供重要的靶點，對我國和世界的糧食安全和農業可持續發展意義重大。

“做科研要有一定的韌性”

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秦峰在玉米培養間指導學生        受訪者供圖

從課堂到實驗室，每一位科研工作者都會經過一段歷練和過渡去將知識融會貫通。在這個探索的過程中，很多人會遭遇多次失敗，獲得與預期不一樣的結果。

“所以我經常跟學生講，做科研不能光憑一腔熱情，還得具有一定的韌性。要敢于創新，不懼怕失敗；敢于挑戰，在最前沿的領域探索一些未知。”秦峰表示。

做研究是這樣，投稿亦如是。這篇文章的投稿經歷了比較長的時間跨度，與審稿人的各種“交鋒”持續了13個月。

“我們在2021年11月底投稿，當時三個審稿人都提了挺多修改意見，其中一個審稿人要求我們分析更多的基因組，在原來3個基因組的基礎上增加已發表的25個。工作量簡直‘超標’。”秦峰介紹。

團隊成員都是追求完美的人，他們想著“既然要做，索性做得全面些”。于是，他們把30個基因組的信息全部拿到后，一起聯合分析，用到了4種目前最先進的基因組分析工具。

從2022年1月份開始的大半年時間里，博士后田甜和博士生王書會一直在緊鑼密鼓地按照團隊討論的方案進行補充實驗和數據分析，他們兩位是這篇論文的共同第一作者。

受新冠疫情影響，田甜有一陣只能通過線上遠程開展分析討論，而王書會幾乎住在實驗室里。5月份因為需要田間實驗，團隊成員克服種種困難，到甘肅省張掖市的實驗基地開展工作，在ZmRtn16這個基因上，他們又補充了一些田間的干旱實驗的數據。

當文章于2022年8月底再次被投出后，到11月初，終于收到了三位審稿人“非常滿意”的回復。文章在2023年1月正式被接收，2月21日發表。

“目前，我們是全世界第一個對抗旱玉米進行全基因組組裝和解析的課題組。有了這些抗旱的‘鑰匙’，我們下一步計劃與育種家或育種公司合作，希望選育出抗旱性能優異的玉米品種。”秦峰說。