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硕士生熬成副教授、拉妻子读博“受苦”，他们11年研究终获突破！ |
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文｜《中国科学报》记者 李晨
为了找到一个关键基因，华中农业大学教授严建兵带领团队测量了百万级的数据信息；共同一作李文强从硕士生“小鲜肉”熬成了副教授“大叔”；共同一作余延辉更是让妻子一起读博，一起熬大夜，一起“受苦”……
在他们尚未解析这个关键基因背后的分子机制时，《细胞》杂志编辑偶然得知了这项研究，认为其“对产业发展具有重要意义”并加以关注。
严建兵在海南南繁基地观察玉米花粉。蒋朝常摄
11月12日，《细胞》在线发表了严建兵团队这篇论文，为打开籽粒脱水这扇大门找到了一把有效的钥匙。他们鉴定到一个影响籽粒脱水的小肽microRPG1，这是玉米及其近缘种中特有的一种含31个氨基酸的新型小肽。它由非编码序列起源，通过精确调节乙烯信号通路来控制籽粒脱水。该研究首次揭示了玉米籽粒脱水的分子机制，为快脱水宜机收玉米培育奠定重要基础。
2011年，严建兵结束了5年海外学习和工作，回到华中农业大学组建实验室。彼时，我国玉米机械化收获起步不久，在科研立项资助中，籽粒脱水还没有得到重视。
但是，严建兵根据自己在国外科研的经验，预感到玉米籽粒能否快速脱水将成为影响产业发展的重要问题。
适合机械化收获的玉米籽粒含水量在15%至25%之间，但我国大多数玉米品种在收获时的含水量通常在30%至40%之间。靠田间长时间站秆脱水可以让玉米籽粒含水量达到机收要求，例如在美国，由于耕地面积充足，不需要采用轮作，所以能够田间长时间站秆脱水后用机械收获，从而直接得到一颗颗玉米籽粒。然而，我国大部分玉米种植区都采取轮作制度。
“收完玉米马上要种下一茬作物，例如黄淮海地区要马上种冬小麦，及时抢夺热量，否则会严重影响小麦收成。”严建兵说。东北玉米种植区的成熟玉米也需要快速脱水，否则遇到霜冻或温度过低，水分无法降到机收需求的水平，这导致玉米机收后还要额外晾晒或烘干，增加了不少人工和运输成本。
要想在我国实现玉米籽粒机械化收获，回答玉米籽粒脱水的科学道理，可以帮助培育出快脱水宜机收品种。迄今为止，控制籽粒脱水速率这一性状的基因很少被克隆，其潜在机制尚不清楚，这是难以通过遗传改良培育快脱水宜机收玉米品种的根本原因。
“玉米籽粒含水量属于典型的数量性状遗传，控制其性状的基因很多，而且其实际脱水速率受环境影响非常大，测定表型的方法非常繁琐。”为此，严建兵团队构建了一个被国内外同行广泛使用的玉米关联群体和多个连锁群体，并在全国五个典型环境布置田间试验。
严建兵说，玉米籽粒能否快速脱水是一个产业问题，相关研究必须在大田里进行，在实验室里做出来的结果可能难以解决产业实际问题。
2013年，这项工作正式开启，严建兵把这个难题交给了他的第一届硕博连读生李文强。
李文强
从不情愿接手到成为“时间管理大师”
“表型难取。”2021年4月，李文强发完这条朋友圈几天后，离开海南三亚基地，回到了武汉。那是他的博士后第三年。几年间，他和师弟师妹们因为做这个课题，测量了百万级别的数据。
在旁人看来，测表型数据对李文强来说应该是驾轻就熟的事情。但他还是忍不住发了这样一条朋友圈。
“我也记不清当时具体是什么实验内容。都过去了。”他的朋友圈记录了工作中的很多感悟，当他“厌烦”了天天下地干活的日子，偶尔也会发发“牢骚”，不过“心大”的他过一阵子都记不清了。
“我一开始并不想做水分问题，想在实验室里做做数据分析。那时候水分问题不受重视，没人做水分研究。严老师可能是最早关注这个问题的。”李文强虽然不情愿，但还是接受了。“我这个人有一种执念，认准以后就一定要干下去。”
严建兵和李文强在海南
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田间测量的日子，不是日晒就是雨淋。为了拿到真实的大田数据，他们借用木材测定水分的仪器，现场测量和记录玉米籽粒的含水量。
“我们同时进行人工授粉，大概授粉后30天开始第一次测量。每个玉米棒子上取三个点，每个点测两次取平均值记为一个数据。一天最多可以测200行1000株玉米，6天后再来一遍。由于实验面积很大，所以实际上每天都在地里重复同样的动作。”李文强说，这样获取的数据要保证整齐性，统计的时候往往只有一半数据用得上。
由于是多年多点实验，一个点测完了就要马不停蹄地赶往下一个点。李文强几乎每天都在出差，海南、吉林、武汉……田间工作不能误农时，什么时间去什么地方授粉、测数据，他像个“时间管理大师”，都安排得严丝合缝。
即便在三年新冠疫情期间出行不便，李文强也没有中断这种天天出差的日子。2021年秋季，他在吉林的实验点待了3个月。“那一年的数据特别好。”他中午不回宿舍吃饭，每天带着面包和火腿肠在地里干活，饿了就吃一口。
十几年来，他担负起了整个团队的田间管理事务，每年都是第一个到达海南，最后一个离开。他的微信头像一直没变，是他研二时在田间看材料的一张照片。“我的同事给我拍的，我觉得拍得很好。留着，纪念一下年轻时候的我。”李文强说。
“严老师会问每一个想考他的研究生的学生一个问题：你的梦想是什么？”2015年，余延辉保研，严建兵和他面谈时，也问了这个问题。“我的回答是做科研。”
余延辉立马喜欢上了这个团队。“严老师是一个有梦想、有激情的人，他非常有信心。实验室的氛围轻松活泼，但每个人都充满了斗志，是一群奋斗的小伙伴。”
余延辉跟着师兄李文强开始种玉米、测表型。他主要负责实验数据分析。2018年春，他终于定位到四个影响籽粒脱水的数量性状位点（QTL）。其中一个主效位点QTL-qKDR1是一段不编码任何蛋白也不转录的DNA序列，但是将其敲除后，能导致籽粒脱水速率显著降低。
严建兵猜测，这个主效位点可能是一个调控因子，调控了某个基因的功能。但是要找到这个基因却非常困难。接下来的工作就像在一个巨大的黑暗空间里寻找一个目标，不知道它在哪里、长什么样子。
经过一段时间的摸索，余延辉放弃了在庞大的玉米转录组里比对信息，而是直接在主效位点前后10kb的位置寻找转录活性高的序列。他居然发现了一段能表达31个氨基酸的小肽基因RPG。
但是那时候，人们对小于100个氨基酸的小肽还没有太多了解，甚至怀疑这类小肽有没有蛋白质的功能。当余延辉在组会上提出RPG可能就是他们要寻找的目标基因时，由于证据不足而不被认可。
“那时候每一步必须确保无误，否则后面的工作可能就白做了。”余延辉的分析工作陷入了困境。
2020年1月，余延辉遇到了他一生中最重要的人。“塬方的出现让我的工作迎来了前所未有的春天。”刘塬方是论文的第三位作者，也是余延辉的妻子。
刘塬方那时是另外一个课题组的硕士生。余延辉对她一见钟情，尽管在武汉暴发的新冠疫情将他俩分开了5个月，但他们认识8个月后就闪婚了。
别人谈恋爱都是风花雪月，他俩谈恋爱谈的是实验设计、土壤改良；别人的婚后生活是柴米油盐酱醋茶，他俩的婚后生活是一起熬大夜做实验、拍照片、分析数据。2021年，刘塬方成为了严建兵的博士生。“陪我一起来‘受苦’了。”余延辉说。
余延辉和刘塬方的全家福
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每当余延辉受不了压力、特别沮丧想要放弃的时候，刘塬方就说，我们不要期待能做出什么结果，就认认真真地做这个工作就好了；每当刘塬方分析不出来数据结果、生闷气的时候，余延辉就夸她聪明，肯定能做成功，只要多花一点时间去学习就可以了。
就这样，两个人彼此支持，从来没有因为科研工作吵过一次架，熬完大夜去食堂吃顿好的，然后各自回宿舍蒙头大睡。
就在余延辉和刘塬方继续寻找证据时，一天深夜，严建兵的脑海中突然浮现出那段小肽的序列。恍惚之间，他感到这段序列似乎能和乙烯通路上的一些蛋白质遥相呼应。他猛然醒悟，这个小肽可能是通过乙烯途径影响脱水性状的。
“但是小肽不稳定，它和别的蛋白质不一样。如果把普通蛋白质看作是大人，小肽就像一个小孩。大人去拉大人，当然好拉动，但是小孩要拉动一个大人就难了。”余延辉说，每次尝试做小肽的蛋白质互作实验，得到的结果都不一样，这是让他最崩溃的地方。
就在那段时间，《细胞》杂志编辑在一次学术活动上偶然听到严建兵介绍这项工作。他表示这种解决产业问题的研究是《细胞》杂志现在非常关注的，并鼓励严建兵把分子机制搞清楚，欢迎他投稿给《细胞》。
2021年，刘塬方读到《细胞—癌症》杂志上的一篇论文，并在组会上分享，给了团队一个柳暗花明的启发。那篇论文提到一个小肽50个氨基酸组成的，可以通过转录因子调控下游蛋白质互作。
“原来可以这样！”余延辉马上开始在转录组中寻找小肽的调控对象。很快，他证明RPG就是qKDR1调控的目标基因，两个转录因子可以结合到qKDR1而抑制RPG的表达。
严建兵和余延辉、刘塬方在讨论问题。湖北日报记者朱熙勇拍摄
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RPG在玉米基因组中尚未被注释，是一个全新的基因。研究团队设计了多个实验证明RPG通过编码一段31个氨基酸的小肽发挥功能，并将这个小肽命名为microRPG1。敲除microRPG1可加快脱水速率，超表达则显著降低脱水速率。
进一步研究发现microRPG1可能通过调控乙烯信号途径中的关键基因表达而影响脱水。由于RPG在玉米籽粒灌浆基本结束后表达，既可以促进籽粒的快速脱水，又不影响产量，实现了产量和脱水的平衡。这一发现也为下一步籽粒脱水的精准调控提供了新思路。
“microRPG1和任何已知的小肽都不同源，在其他物种中也未被鉴定到，是玉蜀黍属特有的，其起源是一个值得探究的问题。”刘塬方的工作发现，该小肽仅在玉蜀黍属和摩擦禾属中存在同源序列，在禾本科的其他成员中没有。
虽然相似的序列存在于摩擦禾属中，但缺乏起始密码子，不能翻译，无法行使功能。在玉蜀黍中，一个核苷酸（ACG到ATG）的突变产生了新的起始密码子，导致一段非编码序列起始翻译，产生了一个新基因。该突变可能发生在65万年前，玉蜀黍属和摩擦禾属分化之后。
“这个发现给了我很大的启发，这为新基因的起源提供了一个新的范例，也为从头创造新基因提供了方向。”严建兵说。
李文强说，多年多点的试验表明，敲除microRPG1可使收获时的籽粒含水量平均下降7%，同时其他农艺和产量性状没有明显变化。他们分析了数百份具有代表性的玉米种质材料，发现几乎所有的材料都存在RPG基因，意味着操纵RPG来改变籽粒脱水速率培育宜机收的品种具有巨大的应用潜力。
严建兵从研究的第一天开始就在琢磨如何让研究成果能够应用，依托湖北洪山实验室这个新型的研究平台，他们采取了边研究、边开发、边应用的思路。在刚看到基因有应用前景的时候，团队就布局了多个专利，并和一家新型的生物技术公司未米生物深度合作，建立了风险共担、利益共享的产学研融通的合作模式。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.030
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