劉耀光：雜交水稻“解碼者”

本刊記者|知一

劉耀光：雜交水稻“解碼者”

本刊記者|知一

三年來(lái)，以劉耀光為首的“水稻育性發(fā)育機(jī)理與基因工程”研究團(tuán)隊(duì)，克隆了3個(gè)水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育的不育基因、2個(gè)恢復(fù)基因等，揭示相關(guān)分子機(jī)理，并在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表一系列高水平研究論文，奠定了我國(guó)在植物育性研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。這些研究成果能幫助育種工作更有策略。

水稻亞種間雜交雄性不育妨礙了水稻產(chǎn)量的進(jìn)一步提升，本周《自然-通訊》發(fā)表的一項(xiàng)研究Genomic structural variationmediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice為了解其背后遺傳機(jī)制帶來(lái)了新的見(jiàn)解。論文的通訊記者正是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)“水稻育性發(fā)育機(jī)理與基因工程研究團(tuán)隊(duì)”的領(lǐng)頭人劉耀光。

為了讓育種工作更有策略

水稻是一種重要的糧食作物，進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量對(duì)于世界糧食安全具有重大意義。一種解決方法是通過(guò)秈粳亞種間雜交，促進(jìn)提高雜種優(yōu)勢(shì)——雜種優(yōu)于親本的遺傳現(xiàn)象。在雜交稻中，每一個(gè)親本都貢獻(xiàn)一個(gè)基因的等位基因給后代，兩個(gè)等位基因的互作影響該基因編碼的性狀。但是問(wèn)題在于，由此形成的雜交種存在不同程度的不育。目前，人們還沒(méi)有完全弄清楚決定雜交種雄性不育的基因，也缺乏可以克服該問(wèn)題的有效方法。

雜種不育是物種分化產(chǎn)生的一種生殖隔離機(jī)制。亞洲栽培稻（Oryza sativa L.）分為秈稻和粳稻2個(gè)亞種。秈稻和粳稻亞種間雜種具有強(qiáng)大的雜種優(yōu)勢(shì)，是水稻雜交育種的未來(lái)主攻方向。但秈粳雜種存在嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率下降，極大限制了秈粳雜種優(yōu)勢(shì)利用。因此，克隆控制秈粳雜種不育的基因并闡明其分子機(jī)理，在理論和生產(chǎn)實(shí)踐上均有重要的意義。Sc座位是控制秈粳雜種不育的一個(gè)主要遺傳座位，但其分子基礎(chǔ)尚不明確。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，劉耀光領(lǐng)銜的“水稻育性發(fā)育機(jī)理與基因工程研究團(tuán)隊(duì)”經(jīng)過(guò)10多年的艱苦探索，最終克隆了Sc座位的目標(biāo)基因。序列分析發(fā)現(xiàn)，秈稻和粳稻Sc等位基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變異。其中，粳型等位基因座Sc-j僅包含一個(gè)花粉發(fā)育必需基因，而秈型基因座Sc-i存在序列重組和大片段基因拷貝數(shù)重復(fù)；重復(fù)拷貝的數(shù)目越多，秈粳雜種不育程度越嚴(yán)重。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)秈粳雜種F1中Sc等位基因的遺傳互作會(huì)導(dǎo)致粳型Sc-j基因表達(dá)水平的大幅度下降，造成攜帶Sc-j的花粉選擇性敗育。該研究揭示了一種基于等位基因劑量效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的選擇性基因沉默即稱(chēng)為等位抑制（allelic suppression）的新型雜種不育分子機(jī)制。該研究同時(shí)建立了一種高效的基于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)定點(diǎn)刪除部分基因拷貝，以打破雜種不親和性的技術(shù)方法。這一研究成果深化了人們對(duì)雜種不育分子遺傳機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步利用水稻植物雜種優(yōu)勢(shì)奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

“以袁隆平為代表的中國(guó)科學(xué)家在雜交水稻培育方面做了很多工作，多年來(lái)應(yīng)用非常廣泛。但雜交水稻究竟為什么能育種，分子基礎(chǔ)是什么，這是我們的研究重點(diǎn)。”劉耀光說(shuō)。以劉耀光為首的“水稻育性發(fā)育機(jī)理與基因工程研究團(tuán)隊(duì)”三年來(lái)，團(tuán)隊(duì)克隆了3個(gè)水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育的不育基因、2個(gè)恢復(fù)基因等，揭示相關(guān)分子機(jī)理，并在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表一系列高水平研究論文，奠定我國(guó)在植物育性研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。“這些研究成果能幫助育種工作更有策略?！?/p>

求學(xué)日本 盛名初成

劉耀光是恢復(fù)高考后第一批大學(xué)生，當(dāng)時(shí)報(bào)考的是一所工科院校的建筑專(zhuān)業(yè)，沒(méi)被錄取，后來(lái)又進(jìn)了華農(nóng)學(xué)農(nóng)科。在一些人看來(lái)學(xué)農(nóng)沒(méi)出路，不安心學(xué)習(xí)，可是劉耀光沒(méi)想太多，有書(shū)讀就行。畢業(yè)后的劉耀光到了湖南省長(zhǎng)沙市農(nóng)業(yè)專(zhuān)科學(xué)校做了兩年的助教，一心向?qū)W的劉耀光1985年考取了赴日留學(xué)研究生。

留學(xué)期間，劉耀光先后在日本香川大學(xué)作物遺傳育種學(xué)、京都大學(xué)遺傳育種專(zhuān)業(yè)攻讀碩士、博士學(xué)位，1991年獲博士學(xué)位后，在日本三井生物技術(shù)研究所做博士后、研究員。11年的時(shí)光使劉耀光定下了“做什么都要做到最好”的人生目標(biāo)。

劉耀光碩士畢業(yè)時(shí)，香川大學(xué)導(dǎo)師非常欣賞劉耀光的才華，希望他能夠留下來(lái)作自己的博士生，但是基于要做就做得最好的信念，劉耀光并沒(méi)有選擇安安份份地直升原校的博士生，而是考取了日本的重點(diǎn)大學(xué)----京都大學(xué)，師從國(guó)際著名的植物分子生物學(xué)家常脅恒一郎教授。

在京都大學(xué)這樣的一流院校里，劉耀光就像一條饑渴的魚(yú)，一頭扎進(jìn)了知識(shí)的海洋。博士期間他開(kāi)展了小麥染色體基因連鎖圖譜的研究。三年的時(shí)間里不僅完成了完成了博士學(xué)位，隨后圍繞著植物基因組這個(gè)主題，進(jìn)行了新材料、新方法、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究工作，在超大片段植物核DNA提取法、溫度非對(duì)稱(chēng)交互PCR（TAIL-PCR）技術(shù)、可轉(zhuǎn)化人工染色體（TAC）克隆載體和多基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)新技術(shù)以及植物重要基因的克隆與功能研究等方面取得了一系列具有國(guó)際領(lǐng)先水平的創(chuàng)新性成果，在《美國(guó)科學(xué)院報(bào)》（PNAS）、《The Plant Journal》等國(guó)際著名核心刊物上發(fā)表論文 30余篇、出版專(zhuān)著3部，獲發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。發(fā)表的論文被包括國(guó)際權(quán)威刊物Science在內(nèi)的數(shù)十種刊物引用800多次。很快，植物分子遺傳學(xué)和基因工程領(lǐng)域劉耀光盛名初成。

歸國(guó)學(xué)子走上了鐘愛(ài)一生的道路

在日本的求學(xué)和研究經(jīng)歷使劉耀光成為一名在國(guó)際上有一定知名度的植物分子生物學(xué)家，但作為一名中國(guó)人，在異國(guó)他鄉(xiāng)做出的成果再多似乎都是在為別人打工，所以他萌生了“要做自己的事業(yè)”的信念。在日本三井生物技術(shù)研究所工作期間，劉耀光的主要任務(wù)是開(kāi)展模式植物擬南芥分子生物學(xué)的研究。他不滿(mǎn)足于此，而是針對(duì)中國(guó)南方是水稻的主產(chǎn)區(qū)的實(shí)際，利用一切機(jī)會(huì)，跟蹤水稻生物技術(shù)方面的研究進(jìn)展，為回國(guó)后開(kāi)展水稻分子生物學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

一回國(guó)，劉耀光還沒(méi)有顧得上安排好夫人的工作和小孩的學(xué)業(yè)，就到了位于廣州的華南農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào)到，他渴望盡快全身心地投入緊張的研究工作。他說(shuō)要與外國(guó)的同行競(jìng)爭(zhēng)，與時(shí)間賽跑。他淵博的知識(shí)、活躍的思維、高超的試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和技術(shù)以及忘我的拼搏精神，得到國(guó)內(nèi)同行和主管部門(mén)的尊重和信任。短短幾年時(shí)間共獲得國(guó)際合作、國(guó)家“863”、“973”計(jì)劃、國(guó)家轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)化、國(guó)家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金等各級(jí)課題資助。劉耀光瞄準(zhǔn)基因工程在遺傳育種中應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究的難點(diǎn)課題，為解決可轉(zhuǎn)化人工染色體（TAC）和多基因組裝與轉(zhuǎn)化載體系統(tǒng)的創(chuàng)建、水稻基因的高效克隆、三系雜交稻選育中有重要應(yīng)用價(jià)值的雄性不育恢復(fù)基因及其他育性相關(guān)基因的定位和克隆、秈粳稻雜種不育基因的物理圖譜定位和分離、水稻分子育種技術(shù)等問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。

他構(gòu)建了適用于單子葉植物、具有基因克隆及轉(zhuǎn)化雙重功能的載體（TAC）系統(tǒng)，并用于水稻基因的定位和分離。在載體改良、大片段基因組文庫(kù)構(gòu)建、恢復(fù)基因的分子標(biāo)記和物理圖譜定位、水稻大片段DNA遺傳轉(zhuǎn)化等方面也取得顯著的進(jìn)展。他還利用自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，積極參加同行相關(guān)課題的研究，在小麥抗病基因的分離和克隆方面做了大量的工作。通過(guò)幾年努力，研究工作取得了重要進(jìn)展，近年發(fā)表了多篇高質(zhì)量的研究論文，申請(qǐng)了兩項(xiàng)專(zhuān)利。在國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)地位獲得了同行的認(rèn)可，劉耀光實(shí)現(xiàn)了回國(guó)做自己事業(yè)的愿望。同時(shí)，也使華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在植物分子生物學(xué)領(lǐng)域的整體研究水平大大提高。

由助教到院士 憑的就是愛(ài)好

由工科學(xué)校的落榜生到轉(zhuǎn)戰(zhàn)農(nóng)科，由助教到留學(xué)研究生，由盛名初成的植物分子生物學(xué)家到院士，劉耀光憑借的就是愛(ài)好。劉耀光說(shuō)：“一個(gè)人熱愛(ài)某項(xiàng)事業(yè)并堅(jiān)持做下去，就一定能夠成功?！?/p>

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的已故院士盧永根是劉耀光農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的啟蒙老師，也是科研工作的引路人，對(duì)劉耀光最知根知底。盧院士這樣評(píng)價(jià)劉耀光，“這是一個(gè)追求科學(xué)、淡泊名利的人，在這樣一個(gè)浮躁不安的世界里，劉耀光沉得住氣，不驕不躁，他發(fā)表的文章，篇篇是精品。”1996年劉耀光回國(guó)的時(shí)候，學(xué)校的研究條件還不是很好。但是，劉耀光在與組織和領(lǐng)導(dǎo)談?wù)摶貒?guó)一事時(shí)，談得最多的是回來(lái)如何開(kāi)展工作，從未向組織提出個(gè)人生活待遇要求，并且用自己節(jié)省的錢(qián)從日本帶回一些當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有的開(kāi)展研究急需的小型設(shè)備。所以，一回到學(xué)校，劉耀光的家庭和生活還沒(méi)來(lái)得及安排好，就一頭扎進(jìn)研究室，沒(méi)日沒(méi)夜地干了起來(lái)。

劉耀光對(duì)自己要求很?chē)?yán)，對(duì)學(xué)生要求也很?chē)?yán)，一位學(xué)生說(shuō)：“劉老師對(duì)我們學(xué)生太熟悉了，幾乎我們每一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)做到哪一步，數(shù)據(jù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，還缺少什么，老師比我們自己還清楚。你說(shuō)我們能馬虎么？”華農(nóng)王少奎教授說(shuō)：“有時(shí)候晚上加班到10點(diǎn)準(zhǔn)備回家時(shí)，還看到劉耀光老師的辦公室亮著燈。劉老師已經(jīng)取得那么高的學(xué)術(shù)成就了，還這么努力，我們又該怎樣呢？”。

一路行走，一路繁花

1997年度國(guó)家杰出青年基金資助獲得者；1999年入選廣東省“千百十工程”省級(jí)培養(yǎng)對(duì)象；2000年入選農(nóng)業(yè)部“神農(nóng)”計(jì)劃；2001年入選廣東省“千百十工程”國(guó)家級(jí)培養(yǎng)對(duì)象；2001年廣東省“千百十工程”先進(jìn)團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)帶頭人；2001年享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼；2002年12月被聘為教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授；2008年，劉耀光研究員帶領(lǐng)的課題組在《美國(guó)科學(xué)院報(bào)》發(fā)表論文，闡明了水稻秈粳雜種雄性不育及其親和性的分子基礎(chǔ)。這是國(guó)際上首次發(fā)表有關(guān)植物雜種雄性不育分子機(jī)制的論文； 2013年3月17日作為通訊作者在《Nature Genetics》在線發(fā)表論文，該論文是劉耀光課題組在闡明水稻胞臺(tái)(BT)型細(xì)胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)性分子機(jī)理后的又一重大研究成果；2017年3月24日在國(guó)際植物學(xué)知名刊物《Journal of Experimental Botany》 上在線發(fā)表了論文，揭示了水稻雌雄配子雙不育的分子機(jī)制……

劉耀光在“為了讓育種更有策略”的道路上前行，不曾停歇，留給后來(lái)人一路繁花。