鐵元素是如何進(jìn)入作物籽粒的

33歲轉(zhuǎn)專業(yè)，37歲換研究作物；

分子生物學(xué)跟老婆學(xué)的，遺傳學(xué)跟學(xué)生學(xué)的；

不愛出差開會(huì)，一天不讀文獻(xiàn)就不舒服；

清晨6點(diǎn)多趕到實(shí)驗(yàn)室，中午從來(lái)不休息，每天工作11個(gè)小時(shí)……

今年50歲的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱農(nóng)科院作科所）研究員李文學(xué)，雖然頭發(fā)幾乎全白，但眼神里始終透露著少年的朝氣。

20年前，為了探究微量元素如何進(jìn)入作物籽粒，他開始了科研長(zhǎng)跑。如今，這個(gè)問題終于有了答案。

12月8日，李文學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》發(fā)表研究成果——他們鑒定到調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因，首次解析了其分子機(jī)制，有望培育出籽粒富鐵的玉米新品系。

“偶遇”生物學(xué)關(guān)鍵問題

“不讀文獻(xiàn)就會(huì)覺得心里空落落的，因?yàn)槲墨I(xiàn)是別人近幾年完成工作的載體?！睋?dān)心自己被落下，李文學(xué)讀文獻(xiàn)的習(xí)慣持續(xù)了20多年。

20多年前，李文學(xué)在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、后來(lái)的中國(guó)工程院院士張福鎖實(shí)驗(yàn)室讀博，是植物營(yíng)養(yǎng)專業(yè)的學(xué)生?？赡菚r(shí)，他老想著怎么能轉(zhuǎn)到生物學(xué)專業(yè)。

“從本科起，我就特別向往學(xué)生物學(xué)，那時(shí)候常說(shuō)‘21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)’?？晌腋呖挤植粔颍环值搅送寥琅c農(nóng)化專業(yè)?！奔幢闳绱耍恢钡阶x博期間，李文學(xué)還是老老實(shí)實(shí)地打土鉆、取土樣，一絲不茍地跟著課題組研究土壤里的元素如何與根系互作，把導(dǎo)師交代的工作竭盡全力做到最好。

“張老師那時(shí)候已經(jīng)關(guān)注到了微量元素的生理機(jī)制問題。”2000年，李文學(xué)為了從事生物學(xué)相關(guān)研究，開始自學(xué)分子生物學(xué)，學(xué)微生物的妻子成了他的老師。他默默地啃書本、讀文獻(xiàn)，惡補(bǔ)生物學(xué)知識(shí)。

2003年，李文學(xué)回到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工作，開始研究玉米、花生間作體系中缺鐵脅迫的應(yīng)答機(jī)制。在實(shí)際研究中，他開始思考一個(gè)問題：微量元素究竟是如何進(jìn)入作物籽粒的？

微量元素對(duì)生命體而言不可或缺。但微量元素如何在植物體內(nèi)傳遞，并進(jìn)入和儲(chǔ)存在籽粒之中，一直是懸而未決的難題?！拔耶?dāng)時(shí)就感覺這是一個(gè)非常重要的生物營(yíng)養(yǎng)學(xué)問題。”李文學(xué)說(shuō)。

在張福鎖的支持下，2006年，李文學(xué)到美國(guó)公派訪學(xué)，正式轉(zhuǎn)向分子生物學(xué)研究。那一年，他已經(jīng)33歲了。

李文學(xué)每天“朝七晚九”，中午只留30分鐘吃飯，周末不休息。實(shí)驗(yàn)室里所有老師和學(xué)生都是他求教的對(duì)象。經(jīng)過一段時(shí)間的積累，李文學(xué)開始在花生、玉米間套作中微量元素的根際互作領(lǐng)域發(fā)表論文，這在當(dāng)時(shí)已屬于前沿課題。

與此同時(shí)，李文學(xué)開始利用模式植物擬南芥研究植物體內(nèi)微量元素的運(yùn)輸和分布問題。這為后來(lái)他在玉米籽粒中尋找微量元素奠定了基礎(chǔ)。

從擬南芥到玉米

李文學(xué)笑稱自己是“社恐”——和陌生人打交道時(shí)喜歡往后退，還沒等對(duì)方拒絕就打退堂鼓?？梢惶崞鹫n題的事，他就兩眼放光，講得津津有味。他覺得自己的性格適合搞科研，能靜下心來(lái)深究問題，不輕言放棄。

2010年10月，他來(lái)到農(nóng)科院作科所，和比他早兩個(gè)月到崗的課題組組長(zhǎng)、研究員徐云碧聯(lián)手建立實(shí)驗(yàn)室。他們有一個(gè)目標(biāo)——研究平臺(tái)絕不能比美國(guó)差，因?yàn)樗麄兩钪獙?shí)驗(yàn)室對(duì)科研產(chǎn)出成果的重要性。

儀器、材料，采購(gòu)、布置，李文學(xué)都親力親為。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建好后，李文學(xué)正式開始了玉米研究。

“李老師剛來(lái)的時(shí)候做擬南芥研究，要轉(zhuǎn)到玉米上挺難的?！毙煸票陶f(shuō)。

難就難在擬南芥是一個(gè)基因組非常簡(jiǎn)單、研究方法非常成熟且易操作的模式植物，而玉米的基因組復(fù)雜得多，要使用更多遺傳學(xué)手段。

“什么是基因型，我曾經(jīng)在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上被問住。玉米雜交實(shí)驗(yàn)要計(jì)算性狀分離的比例，我那時(shí)候總是算不清楚?！睘榇?，李文學(xué)把學(xué)生當(dāng)成老師，把遺傳學(xué)經(jīng)典著作認(rèn)真學(xué)完，有問題就請(qǐng)教學(xué)生，“很快就搞明白了”。

從擬南芥轉(zhuǎn)到玉米，這一年，他已經(jīng)37歲了。

彼時(shí)，玉米基因組被破解不久，相應(yīng)的基因組學(xué)技術(shù)還處在成本高昂的時(shí)期，克隆出一個(gè)基因得花幾年時(shí)間。微量元素如何進(jìn)入玉米籽粒的機(jī)理研究，進(jìn)展緩慢。

盡管如此，李文學(xué)團(tuán)隊(duì)仍然耐心收集玉米種質(zhì)材料。最終，他們從各地收集了幾百份玉米種質(zhì)材料，并篩選出273份，構(gòu)建了試驗(yàn)用玉米群體。

突破性進(jìn)展：兩個(gè)人的實(shí)驗(yàn)室

論文第一作者、農(nóng)科院作科所博士后閆鵬帥2017年以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生的身份進(jìn)入李文學(xué)課題組，并接手了微量元素進(jìn)入玉米籽粒的課題。

那時(shí)，相關(guān)的基因組學(xué)技術(shù)發(fā)展得較為完善，費(fèi)用也“平易近人”。李文學(xué)感到這個(gè)課題可以快速推進(jìn)了。

閆鵬帥在李文學(xué)的指導(dǎo)下，分析了玉米群體里273份玉米籽粒的微量元素含量，發(fā)現(xiàn)鐵元素呈現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布?！斑@意味著用這個(gè)群體很有可能找到一個(gè)調(diào)控鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的基因?！崩钗膶W(xué)知道，當(dāng)時(shí)還有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)也在研究微量元素進(jìn)入作物籽粒的機(jī)理，但他們構(gòu)建的玉米群體篩選出來(lái)的是銅、鉬等微量元素，沒有鐵。

鐵缺乏是一種“隱性饑餓”。全球大約有1/3人口受到缺鐵引起的貧血癥困擾。根據(jù)第四次全國(guó)營(yíng)養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，中國(guó)居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。雖然通過服用補(bǔ)鐵劑等手段可以改善鐵營(yíng)養(yǎng)狀況，但是成本較高，甚至存在副作用。

“如果能將日常食用作物的鐵含量提高，有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營(yíng)養(yǎng)狀況。”李文學(xué)覺得，這對(duì)于發(fā)展中國(guó)家意義重大。

突破性進(jìn)展出現(xiàn)在新冠疫情暴發(fā)的那段日子。那時(shí)，“被困”的李文學(xué)和閆鵬帥徹底靜下心來(lái)，每天做實(shí)驗(yàn)、一起討論……閆鵬帥遇到難題時(shí)，李文學(xué)就從文獻(xiàn)里找靈感，向他推薦他人的思路和做法，閆鵬帥再一步步嘗試這些方法。漸漸地，實(shí)驗(yàn)中的癥結(jié)顯露出來(lái)，解決問題的辦法越來(lái)越清晰。

李文學(xué)（左二）和團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室。王一鳴攝

“我們往前走了一小步，所以找到了答案?！崩钗膶W(xué)讓閆鵬帥從正態(tài)分布曲線上選取鐵含量最高和最低的3份玉米籽粒材料，一個(gè)個(gè)地進(jìn)行RNA測(cè)序，而不是把它們混合在一起測(cè)序。

“那天我拿到報(bào)告，初步鎖定了一個(gè)參與調(diào)控玉米籽粒鐵含量的候選基因。”閆鵬帥非常興奮。李文學(xué)也感到前所未有的振奮。他回憶說(shuō)，這種感覺即便在得知論文被接收時(shí)也沒再出現(xiàn)過。

他們進(jìn)一步解析了候選基因ZmNAC78如何幫助鐵元素進(jìn)入玉米籽粒的分子路徑。為了探索該基因在育種上的應(yīng)用，他們?cè)诓煌琾H值的土壤里分別進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良候選基因的玉米籽粒鐵含量比對(duì)照組平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所選育的玉米材料顯著高于國(guó)內(nèi)雜交玉米品種每公斤18.5 毫克的籽粒平均鐵含量。

富鐵玉米：解決“隱性饑餓”的新選擇

2022年，李文學(xué)開始寫論文。他很清楚要寫一篇什么樣的文章，投稿目標(biāo)是一本高影響因子的期刊。

3個(gè)月后，他寫好了第一稿。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授儲(chǔ)成才讀完初稿后，建議他多從期刊編輯的角度看問題。一個(gè)月后，李文學(xué)拿出了更滿意的版本。

李文學(xué)把論文投給《科學(xué)》雜志。第六天晚上，李文學(xué)收到了編輯回信，要求他們提供論文的word版本。“有戲！”李文學(xué)當(dāng)天就給編輯回復(fù)了郵件。第二天他們就收到了論文送審的答復(fù)。

經(jīng)過幾個(gè)月的修改和忐忑不安的等待，他們終于得到了論文被接收的消息。論文評(píng)審專家認(rèn)為，鐵進(jìn)入作物籽粒的路徑幾乎是完全未知的，他們的結(jié)果首次解析了該過程。

儲(chǔ)成才得知這一消息后表示，這一成果不僅為培育高產(chǎn)與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同作物新品種提供了基因資源，也為解決缺鐵性貧血這一“隱性饑餓”的世界難題提供了新的解決方案，意義重大。

長(zhǎng)期關(guān)注分子育種的徐云碧認(rèn)為，這項(xiàng)成果應(yīng)用了分子育種技術(shù)，是他所了解的基礎(chǔ)研究工作中跟應(yīng)用結(jié)合得非常密切的一個(gè)項(xiàng)目。

李文學(xué)第一時(shí)間給張福鎖發(fā)了一條微信：“我今天終于敢向您匯報(bào)我的工作了?！睆埜ｆi很快回復(fù)說(shuō)：“感謝你一直以來(lái)的堅(jiān)持不懈，感謝你解決了鐵元素如何進(jìn)入玉米籽粒這一懸而未決的植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)難題。祝賀你！”

李文學(xué)表示，他們已經(jīng)利用傳統(tǒng)育種手段培育出了富鐵玉米新材料，有望為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問題提供新的選擇。