10年4發《自然—遺傳學》為回答這個“靈魂拷問”

　　2013年夏天的一個傍晚，華中農業大學棉花團隊帶頭人、教授張獻龍把博士一年級學生王茂軍叫到辦公室，對他提出了一個“靈魂之問”：“棉花是個異源四倍體，有兩套不同來源的亞基因組，它們究竟是怎么調控纖維發育與品質形成呢？”

　　此后10年，王茂軍在張獻龍帶領下一步步解開這個問題的答案，連續發表了4篇《自然—遺傳學》論文；他也從一名博士生成長為華中農業大學教授，帶領自己的團隊在棉花育種的道路上繼續深耕。

　　團隊在新疆的棉花實驗田。受訪者供圖

　　10月16日，《自然—遺傳》在線發表了他們的最新成果。解析了異源四倍體陸地棉兩個亞基因組對纖維發育和品質形成的動態協同調控機制，闡釋了亞基因組同源基因用于纖維品質改良的潛力，提出了基因組模塊化的優質棉設計育種構想，創新了多倍體性狀優勢形成的調控理論和育種理念。

　　“一次靈魂拷問”

　　王茂軍還清晰地記得十年前那個傍晚。正當他面對張獻龍提出的“靈魂拷問”快速“搜索”大腦中相關知識“內存”時，張獻龍又開始發問：“世界上有沒有研究先例？”“有沒有相關文獻？”“我們能不能做？”

　　這個問題的提出，實際上基于解決“國家的優質棉短缺”的宏偉愿景。

　　張獻龍告訴《中國科學報》，科學研究發現，四倍體陸地棉的兩個亞基因組都存在調控棉花纖維品質形成的基因。既然如此，究竟是哪套亞基因組上的基因在調控棉花纖維品質？或者說，在全局水平上兩個亞基因組如何協同調控纖維品質形成？

　　“由于這個問題不清楚，導致陸地棉種質資源的靶向性育種利用不強，限制了陸地棉纖維品質的進一步育種改良。因此，研究兩個亞基因組如何協同調控棉花纖維形成這個重大理論問題對優質棉花纖維育種至關重要。”張獻龍說。

　　在王茂軍看來，這是一個富于遠見卓識的問題。“在當時回答這個問題是非常困難的，我們的基礎非常薄弱，薄弱到什么地步呢？我們連棉花亞基因組是什么樣子都不知道，都沒有完整的四倍體棉花基因組。所以我們邁出了第一步，組裝異源四倍體棉花——海島棉的基因組。”

　　那時候，基因組學研究領域已是一片“紅海”，國內外的研究者都看到了該領域的研究價值，每個月都有新的基因組發表。

　　王茂華在華中農大黃崗基地棉花實驗田。受訪者供圖

　　面對薄弱的生物信息學基礎以及嚴峻的競爭形勢，張獻龍鼓勵王茂軍不能退縮。王茂軍向同領域學者請教問題、與課題組成員討論進展、從早上7點到晚上12點，他奮力追趕基因組學研究的前沿。

　　2015年，海島棉基因組草圖組裝完成，他們發現，At亞基因組與Dt亞基因組上，參與纖維素合成的關鍵基因在纖維發育不同時期出現差異表達。基于此，提出了“亞基因組合作調控纖維發育的接力模型”。

　　張獻龍說：“第一關已經邁過去了，后面要解決更深層次的問題。”

　　十年步步為“贏”

　　同年7月，王茂軍開始了新一輪的研究——將陸地棉的野生種系與栽培品種進行比較。之所以要研究這個問題，是因為陸地棉野生種纖維棕黃而短，陸地棉馴化種則具有白色的長纖維。陸地棉經歷了什么才發生這種轉變？

　　在新的課題中，王茂軍持續汲取新的知識、鍛煉自己的分析技巧。高強度的學習工作并不使他疲憊，新的事物、新的認知讓他越發興奮。

　　2017年，相關研究成果在《自然—遺傳學》上發表。王茂軍說，在5000多年的馴化歷程中，兩個亞基因組中通常僅有一個亞基因組被人工選擇，說明其對纖維品質形成很重要。“同時這讓我們進一步思考，沒有被育種選擇的另一個亞基因組究竟怎么調控纖維品質。”

　　于是，他們嘗試從纖維品質更優的四倍體海島棉身上尋找答案。用海島棉改良陸地棉，是否有望得到產量高、品質好的理想的棉花？

　　2019年，相關研究成果再次發表在《自然—遺傳學》上。這一次，他們找到了控制海島棉特優纖維品質的相關遺傳位點和基因。“這些基因定向導入到陸地棉的一個亞基因組中，可以提升陸地棉的纖維品質。”王茂軍說。

　　棉屬廣泛分布于美洲、亞洲、非洲、澳洲，不同棉種植株差異明顯。于是他們想，能不能找到更多的未被利用的優異基因，去改善棉花纖維的品質？

　　他們嘗試從陸地棉、海島棉的祖先身上尋找答案。2022年，相關研究成果第三次發表在《自然—遺傳學》上，這一次，他們找到了棉花纖維“從無到有、從有到優”演化的原因。他們還找到了一些亞洲棉特異的基因，預期將它們導入陸地棉也可以提升纖維品質。

　　三篇文章的發表，讓團隊信心大增，他們決定一舉攻破2013年的“靈魂拷問”。

　　“根據長時間的研究，我們確定四倍體棉花兩個不同起源的亞基因組，是它在育種上天然的優勢。”王茂軍說：“如果能用好這兩個亞基因組，棉花纖維的品質一定會更上一層樓。”

　　科研就是“兩橫一豎——干”！團隊立馬制訂了詳細的研究計劃。

　　馬益贊博士從全世界收集的棉花材料中精心挑選了400份種質。2019年7月，由涂禮莉帶隊，一行13人浩浩蕩蕩駐扎進了華中農業大學黃岡基地，進行了田間試驗和樣品收集。同時，在室內開展基因敲除實驗驗證……

團隊成員在黃崗基地進行棉花實驗。受訪者供圖

　　2021年4月，項目正式進入數據分析階段，團隊開始了3天一討論的“魔鬼”訓練。

　　“剛開始真的不理解，就算生物信息學分析的周期比做實驗快很多，3天我們能拿出什么進展？”博士生劉振平回憶，“有時候連續幾個3天拿不出有用的進展，對自己會有些失望。”

　　“那時就對自己產生了懷疑，覺得自己沒有這個能力”，博士生尤佳琦說，“后來明白王老師是在推著我們、拉著我們往前跑，帶著我們跨過一道道科研路上的坎。”

　　數據規律可以，展示方式還能優化；展示方式可以，顏色搭配不好看；顏色搭配可以了，文字描述還能改進。王茂軍在每一處細節都用工匠精神去精益求精。”博士生戚正陽說：“無論聚餐、開會還是出差，我們都離不開課題討論。”

　　“我明白科研的道路上總是有很多挫折，我也經歷過。”王茂軍說：“做科研是件幸福的事情，我希望我的學生都能體會到。”

　　尤佳琦說：“為排解科研壓力，王老師經常向我們分享一些歷史故事。雖然工作很辛苦，每個人都充滿斗志和干勁兒。”

　　2019年在黃岡播下的種子，終于在2023年開花結果。第四篇《自然—遺傳學》文章上線。

　　兩代人的接力

　　從2019年博士畢業到2023年，王茂軍的研究小組已經從5人壯大到了23人，至少兩代人得到了鍛煉與成長。

　　在張獻龍的指導下，王茂軍從心系棉花的莘莘學子成長為獨當一面的青年科研人員。在王茂軍的指導下，尤佳琦、劉振平、戚正陽等從跟在師兄師姐背后的小師弟小師妹，成長為值得依靠、信賴的師兄師姐。

　　值得一提的是，尤佳琦、劉振平兩位同學的本科班主任正是張獻龍，副班主任是涂禮莉，他們大三時以“碩彥計劃”進入了王茂軍的實驗室。這樣的師承，成為一段佳話。

　　經過10年不懈探索，團隊師生深深地感受到做科研是一件既辛苦又幸福的事情，接下來他們要把論文變成性狀應用和生產實踐。

　　“我們當前提出的通過優化亞基因組同源基因表達來改良纖維品質的構想，算是對十年前張老師的問題做出了初步的較為細致的回答”，王茂軍說，“我們找到了陸地棉兩個亞基因組‘接力’協同調控纖維品質形成的基因模塊，并分析了其在育種過程中的利用情況，也為進一步精準改良纖維品質提供了理論依據。”

　　他們分析了現在生產上的栽培品種，只有大約30%的兩個亞基因組都存在的纖維相關基因被大部分品種利用了。王茂軍說，這就暗示在兩個亞基因組中還有相當大一部分基因沒有同時被育種利用，即兩個亞基因組對纖維品質的貢獻還有巨大潛力值得挖掘。

　　“它是我們在多倍體物種中開展育種應用、改良性狀的一把金鑰匙。要更清楚地回答‘靈魂拷問’，還有很多研究需要開展。打破砂鍋問到底，未來我們將繼續打磨這把鑰匙，進一步推動基因組設計育種，育成優質高產的棉花品種。”王茂軍說。

　　張獻龍說：“我們已經做了很多基礎研究、很多理論研究，打下了很好的基礎。但是最終，研究應該落腳在品種改良上，要開發育種新技術，并育成更好的品種，為棉農增添福祉。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-023-01530-8