8年“種”出一篇Science，他們期待更多科學家用上這套體系

2016年，黃學輝加入上海師范大學生命科學學院，從頭開始組建植物數量遺傳學團隊。當時，黃學輝腦中已經有了一張“圖紙”，他要解決一個基礎的遺傳學問題——水稻的不同性狀受到哪些基因的調控。

“我們預想到了研究中可能會遇到的困難，也知道短期內無法取得想要的成果。但我們都認為，這是一件非常有意義的事情，所以就咬牙開始做了。”黃學輝告訴《中國科學報》。

此后8年間，黃學輝帶領團隊，從涵蓋全球栽培稻主要遺傳亞群的16份品系出發，構建了包含18421個穩定純合的水稻“混血雜交”群體。這一獨特的群體不僅具有完全清晰的遺傳背景，而且打破了水稻自然群體中明顯的遺傳結構分群。

同時，團隊對全部株系進行了精細的基因型分析和表型測量，定位到控制16個重要農藝性狀的96個高置信候選基因。這項研究為水稻遺傳研究提供了重要的材料和數據資源，并為水稻分子設計育種奠定了理論基礎。日前，這一研究在Science上線。

Science截圖

水稻是全球最重要的糧食作物，也是植物遺傳學研究的模式物種。長久以來，全球范圍內的育種專家們都試圖采用不同方法，提高水稻的產量品質和抗病性。近年來，利用全基因組關聯分析（GWAS）等方法，科學家們已經在水稻等作物中鑒定出許多與農藝性狀密切相關的基因，而這也為后續的育種改良提供了更多切入點。

最早關注這個問題的人，可以追溯到200多年前的孟德爾。他開展的豌豆雜交實驗為遺傳學奠定了基礎。但孟德爾關注的幾個性狀都比較特殊，只有兩個選項：豆粒飽滿或者褶皺，開紫花或者開白花……

然而絕大多數時候都沒這么簡單。比如，人們的身高、體重、對疾病的抵抗能力，都呈現出在一定范圍內連續變化的特點，遠不是非黑即白。這意味著，同一個生物學特征受多個基因共同調控，最終呈現出一個綜合的效果。同樣的，水稻基因和性狀之間，也不是簡單的一一對應關系。

早在中國科學院上海生命科學研究院讀博和工作期間，黃學輝就開展了系列工作：2010年，他在植物中開發出了全基因組關聯分析的方法體系；2012年，他利用446份野生稻和1083份栽培稻，鑒定出了55個馴化基因位點……

其間，黃學輝開發了一套快速構建遺傳群體基因型圖譜的方法，能夠將作物的基因型和表型聯系起來，進而捕捉控制性狀的對應基因。“但是使用這套方法時，我們發現性狀定位到的基因并不完整。結合文獻中的分析判斷，我們認為應該是植物的群體結構導致的。”

正如人類中有歐裔、非裔、亞裔等，人們很容易根據外貌特點來判斷這個人是亞洲人還是歐洲人。但如果只是單獨去看某一類群，則無法全面了解不同類群之間存在性狀差異的原因，同時也難以檢測基因之間的遺傳互作效應。

類似地，水稻也有不同類群，其中差異還很大。為了捕捉水稻不同類群之間的差異，黃學輝團隊精心設計并創制了各種各樣的“混血”類群，把不同的水稻栽培種的群體結構充分打散。

這項研究涉及農學、生物學、信息學、統計學等多個學科，同時需要處理海量的材料和數據。

黃學輝先畫了一張詳細的“攻關路線圖”，把這個大課題劃分為遺傳、分子生物學和數據分析3大塊，再進一步細化每個時間節點的主要工作、每個環節可能遇到的問題，一步步攻克。

項目開始的最初半年間，實驗室正在裝修，連浸泡水稻種子的盤子都沒有。他們就向其他實驗室借用槍頭盒用來浸種，又借來育秧盆種水稻。DNA建庫測序費用高昂，團隊就從制備測序所需的酶開始，摸索了一套高通量、低成本的技術方案。數據分析中遇到瓶頸，團隊反復嘗試不同方法，請教了國內外領域內的大量專家……

“我們類似于做了一本水稻性狀的詞典。”黃學輝解釋，“比如我們想了解水稻抽穗期相關的基因，我們就可以翻到對應的頁碼進行查閱。如果這里的某個基因和另一個性狀相關，那就再翻到對應的基因頁碼了解更多細節。”

為了讓這本“詞典”更好用，團隊進一步開發了一個名為RiceG2G的工具，可以快速捕捉相關性狀的候選基因，為挖掘水稻優良基因提供參考。

貫穿這項研究的一個關鍵詞，就是“種地”。為了加快培育“混血雜交”水稻群體，同時考察不同生態區對這個群體生長的影響，團隊每年在上海和海南兩地種植水稻。

“上海這邊，楊仲南院長幫我們在上海奉賢找了一塊農田。海南這邊，是我們挨家挨戶敲門談下來的。”論文第一作者、上海師范大學教授魏鑫說道，“當地的農戶對于科研其實不陌生。很多科學家在南繁基地試驗的成果，最后都變成了新的農作物品種，服務于國家發展。所以當了解到我們借用土地的目的后，他們愿意和我們溝通，從而建立了長期密切的合作關系。”

十幾畝土地被劃分成一個個20厘米乘20厘米的小格子。每個格子里種一份單獨的材料，而每一代都要種植幾萬份材料。魏鑫帶著學生，持續8年時間往返于上海和海南。每年10月，在奉賢收種子并馬上整理，趕在11月初運往海南崖州播種；來年3月底，再赴崖州收種、運回上海，趕在5月中旬在奉賢進行新一輪播種。在極端高溫時下田插秧、在臺風暴雨天搶收種子，對他們而言，都是司空見慣的事。

水稻群體構建完成后，緊接著便是持續兩年多的大規模性狀調查、大數據分析和實驗驗證。

所謂性狀調查，就是指對生物體的形態特征、生理特征和行為方式等進行系統性的觀測和記錄，以了解其遺傳規律和表現型差異。在這個項目中，就是需要觀察記錄幾萬份材料的16個重要農藝性狀。

“一方面，每份材料都需要調查幾株材料取平均值；另一方面，還需要考慮環境中植株的性狀特點。目前沒有自動化的田間測量儀器。除了苦戰，沒有其他方法。”魏鑫表示，“因為在上海很難找到足夠的人手，我們就請了很多本科生來幫忙，人手緊張的時候甚至還把外地的熟練工人也請來幫忙。”

人數最多的時候，有差不多100人同時在田間操作。整整3個月時間，無論是教授還是田間師傅、無論是研究生還是本科生，都是每天天不亮就下田、天黑才收工，風雨無阻，最終把這塊硬骨頭“啃”了下來。

此前，魏鑫的研究領域以生物信息學為主。大多數時候，他都是在辦公室里敲代碼、分析數據。通過多年的田間實踐，魏鑫對水稻的田間性狀已經非常熟悉了。

“我們很多老師和同學，以前都沒有種過水稻。但是這個項目的特點決定了，我們只有親自參與才能做好這件事。”魏鑫說道。

黃學輝是少有的、完全在國內的培養模式下成長起來的領域內頂尖科學家。2006年從復旦大學畢業后，黃學輝來到中國科學院生命科學研究院，師從中國科學院院士韓斌，攻讀博士學位，畢業后繼續留在研究院工作。加入上海師范大學時，他已經是數量遺傳學領域頗有名望的一位學者。

“國內生物科學的起步較歐美要晚幾十年。但現在很多領域一流科研工作者的數量和質量快速上升，只要能夠得到很好的科研訓練，出國與否就不是那么重要。”黃學輝表示。

在黃學輝看來，平臺可以起到一定的加分作用，但科研最根本的決定因素是人本身。“我們團隊的幾位老師都得到過很好的科研訓練。此外，每年招生季，整個課題組都會花上幾周時間，一起去現場面試把關。我們也很幸運遇到了一些很出色的學生。”

植物數量遺傳學團隊，正是在“以人為本”的理念之下組建起來的。目前，團隊教師平均年齡35歲，既有作物遺傳育種和分子生物學方向的研究人員，也有精通生物信息學和統計學的研究人員。他們發揮各自優勢的同時，彼此高效溝通，并且聯合培養了各有所長的研究生隊伍。

而以水稻“混血雜交”群體為起點，黃學輝和團隊已經開始設計新的“圖紙”。

“我們目前考察了16套常規的水稻性狀，但水稻的重要性狀遠不止這些。未來這套體系還可以用來研究更多有趣并有用的性狀。已經陸續有一些團隊聯系我們。我們盡可能提供種子，希望這套群體能夠發揮更大作用。”此外，黃學輝和團隊也在尋求合作機會，以期在全國范圍內考察環境對水稻性狀的影響。

“下一步的重點是怎么可以讓這套材料體系更好地發揮其價值。”黃學輝期待更多科學家可以直接使用這套體系，進行農藝性狀和分子特征的遺傳學研究。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adm8762

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