“为了突破‘绿色革命’基因的单产瓶颈，我们已经探索了至少10年。我的博士生宋龙是这篇论文的第一作者，从大二开始就跟着我研究这个问题，已经9年了。”中国农业大学农学院小麦研究中心教授倪中福告诉《中国科学报》。
团队成员在实验田查看小麦长势。山西大丰种业有限公司刘峰供图
近日该团队发表于《自然》的这篇论文，通过多年大规模田间表型调查和遗传学研究，鉴定到一个显著提升小麦群体产量的关键位点，为高产高效半矮秆小麦新品种培育提供了重要基因资源和新的育种策略。
这篇“死磕”9年的论文厚积薄发，原本以快讯（letter）形式投给《自然》杂志，但被编辑要求改成长文（article），并在一个月内完成一审返修，仅21天后就被《自然》接收。
长期关注“绿色革命”基因的中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东等人在《植物学报》发表相关评论指出，该研究是小麦功能基因组研究的重大进展之一，提出了通过调控赤霉素和油菜素内酯双重信号转导机制实现农业可持续发展的育种新策略，将助力小麦新一轮“绿色革命”，为低碳绿色农业发展奠定了新的理论基础。
“一个月进展比水稻玉米一天的进展还少”
小麦是世界上种植面积最大的粮食作物，为人类提供21%的食物热量和20%的蛋白质来源。华南农业大学教授储成才在接受《中国科学报》采访时说，20世纪60年代，半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了小麦抗倒伏能力，因而提高了收获指数，使得小麦产量大幅提升，引发了第一次“绿色革命”。
然而，“绿色革命”基因并非完美。“矮化品种的问题在于粒重低、肥料利用效率降低，导致农业生产上需要大量施肥才能保证增产。”储成才说，实现“减肥增产”一直是育种家和农民的梦想。
这也是论文通讯作者倪中福团队长期以来关注的，他说：“迫切需要开发新策略，挖掘和利用新的矮秆基因资源，培育不依赖第一次‘绿色革命’基因的半矮秆小麦品种。” 2014年前后，注重收集小麦种质资源的倪中福课题组发现了一些我国特有的小麦材料，其中部分来自育种家的“半成品”。它们具有半矮秆的株型，但和携带“绿色革命”基因的矮秆小麦不同的是，它们的千粒重较高，氮肥利用效率也较高。
“这里面可能有好的基因。我们就是这么开始的。”倪中福说。凭借中国农业大学教授孙其信作为学术带头人的小麦研究中心科研平台，结合倪中福在遗传学方面的特长以及中国农业大学副教授刘杰在分子生物学方面的优势，他们组成了一个优势互补的团队。
倪中福也在期盼着有更多新生力量加入进来，承担起这项研究课题。2014年，刚上大二的宋龙选修了一门课，他第一次听到倪中福讲小麦被人类驯化的过程，小麦复杂的六倍体基因组，小麦比水稻和玉米都更难于研究……
“我当时感觉研究小麦，搞清楚这些问题是非常有挑战的事情。而且倪老师讲课非常幽默有趣，他讲故事非常精彩。我一下子就被他的人格魅力吸引了。”宋龙很快就去找倪中福，提出在团队中做科研训练。就这样，作为一名农科生，宋龙选择了小麦作为自己的研究对象，并开始跟着师兄师姐们下田做实验。
彼时，小麦基因组还没有破解。“做起来了才知道原来这么难！”宋龙说，那个时候要克隆出来一个小麦基因最少要用一个月的时间，而水稻玉米由于已经有了基因组，克隆一个基因可能只需要一天的时间。
“做小麦一个月的进展比水稻玉米一天的进展还少。”宋龙第一次感到了崩溃。好在导师倪中福不断在团队的组会上鼓励大家，这才让他坚持了下来。
新时代“麦客”：从大田实验开始
“经过前两年的学习和积累，我从2016年读博开始专注于寻找更好基因。”宋龙说。从那时起，他像团队里的师兄师姐们一样，正式成为一名新时代的“麦客”。
“麦客是一种古老的职业，以前是指流动的替别人割麦子的人。这是曾在北方陕、甘、宁一带流行的一种农民外出打工的方式，每年麦熟季节，农民专门外出走乡到户，替人收割麦子。”宋龙说，现在他们自称“麦客”，因为每年从5月20日开始，一直到6月中旬，他们要从南到北地收实验田的小麦：先收河南新乡，接着河北邯郸，然后山东青岛，最后是北京。
“自己的实验必须自己去收，每一份材料都要观察表型，做好分类记录。”宋龙说，在多年的麦收季节，特别感谢团队老师和师兄弟姐妹们，因为农业是靠天吃饭，收麦子的时间非常紧张，大家互相帮忙一起收，才能按时完成。
倪中福告诉《中国科学报》，从基础研究到生产实践的过程是很长的。他的团队坚持多年在大田里进行实验，就是想通过这种最接近生产实践条件的方式验证基础研究的假设和结论。
科研进展虽然缓慢，但是他们逐渐积累了在小麦中克隆基因的方法。当2018年小麦基因组破解时，他们此前掌握的研究手段和独有材料帮助他们加快了研究进程，从而能在众多研究“绿色革命”基因的团队中领先一步。
宋龙告诉《中国科学报》，2018年小麦基因组发布，基于正向遗传学研究策略，他们在小麦的4B染色体短臂上找到了一个大片段的缺失，其中有3个紧密连锁的基因丢失了，即Rht-B1/EamA-B/ZnF-B。他们将其命名为r-e-z单倍型，其中的r恰恰就是“绿色革命”基因。
2020年，傅向东等人在《科学》发表长文，证实了半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b使作物的氮素利用效率大大降低，而关闭这些基因则能让作物的氮素利用效率恢复正常。
“我们这个天然材料保持了半矮秆株型，且茎秆强度、耐密性、收获指数、千粒重和产量等均有显著提升。”论文共同第一作者、中国农大副教授刘杰说，矮秆基因的缺失并没有引起株高的显著变化，他们猜测，这很可能与另外两个基因的缺失有关。
为解析决定r-e-z遗传效应的候选基因，他们利用基因编辑技术创制了这3个基因的不同类型突变体，并分别与携带“绿色革命”基因Rht-B1b的矮秆小麦进行对比。
大田实验进入了关键期，然而这时候却发生了全球性的新冠肺炎疫情。“我们学生当时不能回北京，只能在河南、山东等地继续做 ‘麦客’。”宋龙回忆说，北京的小麦全靠团队刘杰等老师们帮着收。“每天开着视频确认材料，做好实验记录。”
就这样，他们的研究发现，Rht-B1b功能丧失的突变体株高、穗长和粒重显著增加，氮素利用率提高。“这验证了傅向东老师此前的研究结论。”刘杰说。
而ZnF-B功能缺失的突变体表现出株高和千粒重降低的表型，但穗长没有显著差异。
在EamA-B敲除株系与对照组之间没有观察到表型改变，且Rht-B1b和ZnF-B同时突变与r-e-z遗传效应基本相似。
倪中福打了一个比喻，在r-e-z单倍型中，离得很近的Rht-B1b和ZnF-B“原地结婚”了，并且双双缺失，造就了一个非常符合育种家和遗传学家“理想型”的材料。而“顺便”缺失的EamA-B目前没有发挥什么特别作用，有点像一个“不亮的电灯泡”。
三个月审稿，一个月修改，21天接收
其实，ZnF-B也是大有来头的基因。倪中福告诉《中国科学报》，研究发现，它是一个新的油菜素内酯信号通路的正调控因子。油菜素内酯信号通路的启动会让植株长高。ZnF-B缺失后，阻遏了油菜素内酯信号的正常传导，进而使小麦株高降低。
“在r-e-z单倍型材料中，赤霉素和油菜素内酯信号通路形成了一种平衡调控。”倪中福说，Rht-B1基因缺失导致赤霉素信号通路启动，小麦的氮素利用率提高；而ZnF-B缺失阻断了油菜素内酯信号通路，进而保持了小麦的矮秆性状。
研究团队对r-e-z缺失单倍型分析后发现，这是一种稀有的变异类型，仅在我国的12份种质资源中存在。他们已经初步选育出4个整合了r-e-z单倍型的高产、半矮秆小麦苗头品系，在群体条件下它们的产量比高产主栽品种“良星99”提高6.5%~15.2%。
搞清楚了这些奥秘之后，2021年11月，刘杰和宋龙在倪中福老师的指导下开始撰写论文。经过4到5次修改，2022年6月论文已经基本完成。就在他们准备投稿的前夕，一件意料不到的事情发生了。
2022年6月17日，《科学》发表了中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员林鸿宣团队的一篇论文，报道了水稻高温抗性新基因位点TT3.1，并且阐明了其调控高温抗性的新机制。
“我半夜看到了这篇论文。我一看TT3.1的位点和我们发现的ZnF是同一个基因，只是名字不同。”宋龙说，“虽然林鸿宣院士的TT3.1是耐热基因，通过保护叶绿体途径调控的，和我们的油菜素内酯信号通路不一样，但我还是很担心因此而影响论文的投稿进程。”
第二天，团队立刻开会讨论投稿事宜。虽然倪中福开解和鼓励了大家，但宋龙心里还是感到了巨大的压力。
倪中福说，投顶刊只有一次机会，必须把文章修改到尽善尽美才能投给编辑部。于是，他们请熟悉的专家帮助他们修改这篇对他们来说非常重要的论文。
9月9日，他们向《自然》杂志编辑部投去了这篇历时10年完成的快讯。“因为水稻上TT3.1的论文已发表-在《科学》，所以我们考虑以快讯形式投给《自然》。”刘杰说，让他欣慰的是论文很快进入了审稿程序。
然而此后三个月如石沉大海，杳无音信。原来，受到新冠肺炎疫情的影响，评审人无法按时完成工作。
“等到100天的时候，编辑终于给我们返回了修改意见。”刘杰说，其中一位评审人建议“将该文由快讯扩展为一篇研究长文，对研究结果进行详细报道”。还好他们此前的大田实验数据详尽而扎实，才能在短短一个月时间内补充了评审人要求的信息，完成一审返修。
倪中福回忆说，美国堪萨斯州立大学教授柏贵华、俄克拉荷马州立大学教授严六零和中国农业科学院作物科学研究所研究员李文学在写作上进行了细心指导。
“这为利用新的矮秆基因资源培育不依赖‘绿色革命’基因的半矮秆小麦品种提供了先例。”倪中福告诉记者。
“这一研究成果展示了通过调控赤霉素和油菜素内酯两大生长类激素，设计新型矮秆高产高氮肥利用率的小麦新品种的全新策略，在实现‘减肥增产’的新一轮‘绿色革命’中具有重要价值。”储成才说。
傅向东认为，r-e-z缺失单倍型具有在半矮秆育种中替代“绿色革命”基因的巨大潜力。
而宋龙选择这一问题作为自己的博士论文，也即将在这个学期期末迎来他的答辩。 （来源：中国科学报 李晨）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06023-6
