跑一场十年科研马拉松，华农团队攻克玉米“鱼和熊掌”式难题

玉米抗旱与高产能否兼顾，是一个困扰全世界农业科研和产业界多年的“鱼和熊掌”式难题。10月13日，国际顶级期刊《自然—生物技术》杂志发表了华农团队的最新研究成果，经过十年的不懈探索，他们找到了调控玉米产量和耐旱的相关基因及其相互间的关系、作用机制。在此基础上，打破这对“黄鹰抓住了鹞子的脚”的基因“欢喜冤家”的紧密连锁，人类就可以实现玉米既抗旱又高产。这项研究也表明，只要面向国家的重大需求，持之以恒、心思缜密、办法巧妙，科研就可能做出重大的原创贡献。

玉米育种的大难题

无论国内还是国际，玉米都是名副其实的第一大粮食作物，据统计，2020/21年度，全球玉米总产量11.29亿吨，中国达2.61亿吨，占比23.1%，同时，中国也是世界上最大的玉米进口国，每年进口量约3000万吨。

玉米之所以能成为粮食作物“第一大”，不仅在于播种范围广，平原丘陵山地都可种植；播种面积大，特别适合大面积机械化种植，而且其超高的单产量也在所有农作物中出类拔萃，玉米单产可以达到亩产3000斤左右，超过其他主粮。

但高产的玉米也有自己的烦恼，那就是产量和抗旱性变成跷跷板，此消彼长。近百年来，育种家们将玉米的产量步步升高，但伴随而来的是玉米抗旱性的显著下降，个子越高，结穗越多、越大，玉米的脾性却从皮实变得越来越娇气。这种顾此失彼的失衡，碰到风调雨顺的日子还好，丰收在望；碰到个多晴少雨的干旱日子，就很容易造成大面积减产。偏偏我国的三大玉米北方主产区（东北、华北至西北）都处于干旱与半干旱气候带，而湖北等南方玉米产区近年来也呈现出干旱灾害多发、频发态势，年际间稍有个雨量波动，就会直接影响我国粮食安全。

高产不耐旱，耐旱难高产，是很早就被从事玉米研究的育种家们所熟知的现象，但为什么会产生这个现象，长期以来一直未被弄清楚。一个合理的推论是，调控产量和调控抗旱性的两个基因产生了“拮抗效应”，调控产量的基因发挥作用，就会抑制抗旱的基因产生影响，这叫作“控制产量性状的干旱胁迫应答负调控”。如何精准找到这个基因点位，揭示其作用机制，就是高抗高产作物育种科研中面临的重大瓶颈问题。

从6000多个位点里找到最热点

年轻的科研团队。

推理容易，找到证据难。华农作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室代明球教授、李林教授课题组联合湖北洪山实验室、园艺植物学教育部重点实验室李峰教授课题组沿着这个思路，大兵团跨学科作战，开启了10年的“基因海捞针”之旅。

他们首先选定玉米基因里的小RNA（sRNA）作为寻“针”线索。小RNA是一类短片段的非编码RNA，植物基因组可以通过产生小RNA来调控基因的表达。小RNA如同开关，基因表达如同线路，一个（组）开关负责一根线路，反过来说，顺着线路也能找到开关，小RNA能够精准识别靶标基因。

说起小RNA，还有一则趣事。昨天，整个科研团队接受了记者采访。李峰教授回忆起课题源起于一次室内装修，当年他和代明球都是华农重点引进人才，学校给他们分了住房，两家同时装修，在施工现场，夫人们谈论装修、建材，两位丈夫则在一旁交流各自的研究课题，李峰做小RNA研究，代明球做玉米抗旱育种研究，两人一拍即合，学科交叉，就做玉米的小RNA研究。

但他们碰到的第一个难题就是玉米基因组产生的小RNA数量庞大。多大呢？代明球教授说了一组数据：他们通过高通量测序，获得了338份玉米里与干旱有关的小RNA表达组和197份群体的转录组，而这些小RNA对应着30000多个表达性状和6000多个调控表达的eQTL位点。如同摸黑从6000多根乱糟糟的黑色线头里挑出唯一的一根红线，他们要做的就是从6000多个位点里找到那个最热点。

科学没有魔术手，不可能随意就抽取到自己所需要的那一个，只能用笨办法——一根一根地数、一个一个地测。经过数年努力，终于，他们找到了8号染色体上一个干旱特异性超级热点eQTL DRESH8。

DRESH8扮演神奇开关的角色，打开了产量的门，就关上了耐旱的窗。这其实是玉米在高产人工选育中的“自然”选择，玉米是高大植物，需水旺盛，生长快、结实多，所需的水就越多，现代农业帮助玉米“喝”水从慢饮变牛饮。“喝”水方便了，附带着耐旱就差了。

验证原创的发现

团队在做“新”玉米的培育和验证实验。

为了验证DRESH8的功能，他们通过基因编辑方法把它从基因里剪除掉，这是个高难度的技术活儿，如同小李飞刀，例无虚发。代明球说，用“基因剪刀”在基因组链条里精准剪掉很长的DRESH8，在玉米领域非常具有挑战性。过程充满了风险，也不乏幸运，经过多次尝试，像外科大夫的手术刀越用越顺，他们终于获得了缺失DRESH8的玉米品种。

疫情最严重的2019年冬天，博士后孙霄鹏一个人带着“新”玉米到海南南繁，困在基地的他哪儿都不能去，日常生活也有诸多困难。过年的时候，师弟们送来一盘酸菜饺子，孙霄鹏说：“我平时不爱吃酸菜馅儿的，但那一次，吃得太香了。”

功夫不负有心人，经过栽培试验，“新”玉米比平常玉米、野生玉米更抗旱，这就从分子层面阐明了DRESH8以负相关性调控着玉米耐旱性和产量性状之间的平衡。而这项原创研究成果将为种业高抗高产遗传育种奠定坚实的理论基础，如DRESH8这般我国拥有独立自主知识产权的重要遗传位点的发现，也能为今后的分子育种提供重要价值的遗传操控靶点，从而培育出适合未来气候变化的高产作物。代明球表示，他们已经启动了后续的育种研究，按照正常速度，几年后有望培育出既高产又抗旱的玉米新品种。

据悉，这篇发表于《自然—生物技术》的论文题为“转座子反向重复结构在平衡玉米抗旱性和产量上的功能”，主题是利用多组学和基因编辑策略，详细阐述了玉米产量和抗性平衡的遗传与分子机制。华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士后孙霄鹏、博士向艳丽（现根特大学博士后）、博士生豆楠楠、华中农业大学博士后张慧为论文的第一作者，代明球、李林、李峰教授为论文的通讯作者，作物遗传改良全国重点实验室和洪山实验室的严建兵教授也参与了该项工作。

只为国家粮食安全、玉米种业安全

团队在做“新”玉米的培育和验证实验。

2013年回国组建实验室开启玉米小RNA抗旱研究，到今天课题取得重大进展，历经10年，代明球有些感叹当初也没想到要用上这么长的时间，完成群体全部小RNA测序花了3年，确定DRESH8位点花了1年，基因编辑DRESH8又花了2年，论文写作的4轮修改又花了3年，其间经历过失败，也充满争论，但最终坚持了下来。

代明球用两张随手拍的照片“隐喻”其中的甘苦。那是一天深夜，他刚工作完走出实验大楼，回头拍下了华农生科大楼和园艺大楼的夜景照。两栋大楼灯火通明，没有一层楼、一个实验室准点熄灯，大家都在加班加点工作。“这就是10年来我们工作的氛围。能坚持下来，只为国家粮食安全、玉米种业安全。”代明球说。

（长江日报记者周劼 通讯员蒋朝常）

【编辑：赵可】

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