揚大數(shù)據(jù)之力 掘作物基因之密
——記北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員楊效曾

□ 王 涵

楊效曾在實驗室

和楊效曾研究員聊天，總會不經(jīng)意間被他的熱情所感染，也會經(jīng)常被他對育種事業(yè)的深厚情感所感動。如果問起這位育種“工匠”究竟緣何能夠堅持下來，又是怎樣取得豐碩的成績，總結(jié)下來也許只有對工作的高度堅守，對科研的低調(diào)謙遜，再加上不懈鉆研的精神才足以概括。

如今在大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)分析已相繼應(yīng)用到工業(yè)、醫(yī)療等多個領(lǐng)域中，而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里，基因組測序、重測序、轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳組、蛋白質(zhì)組等多種數(shù)據(jù)資源，也在逐漸推動著作物科學(xué)研究步入大數(shù)據(jù)時代。這與大數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用很相似，既然通過海量數(shù)據(jù)可以從基因組層面，對人體潛在的疾病風險提供預(yù)警。同理，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，便可以幫助研究人員在進行育種篩選時，得到品質(zhì)良好的品系。

在黃土高原長大的楊效曾一直對土地愛得深沉，也對育種抱有濃厚的情感，多年來，他長期從事遺傳學(xué)、生物信息學(xué)和生物大數(shù)據(jù)分析研究工作，并將其引入精準育種學(xué)領(lǐng)域里。在他看來，“這會為將來的育種工作提供非常有力的武器?！?/p>

破解生命奧秘

2004年，楊效曾并沒有如其他科研人員那樣繼續(xù)選擇校園生活，而是走出中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校門，步入社會參加工作，但在工作過程中，他切身感受到讀書是一條沒有止境的路，在生物學(xué)領(lǐng)域里，自己還需要有更多的學(xué)術(shù)積累。思來想去，楊效曾選擇“走更遠的路，看更廣闊的天地”。于是，2008年，他來到美國弗吉尼亞大學(xué)攻讀生物學(xué)博士，希望能夠在生物學(xué)上有更多的建樹。

博士期間，楊效曾開始對非編碼RNA（ncRNA）領(lǐng)域產(chǎn)生研究興趣，高通量測序技術(shù)引入后，需要對大規(guī)模的ncRNA進行鑒定，也需要通過各種方法來研究ncRNA的功能。已經(jīng)有大量研究數(shù)據(jù)都表明，在高等生物中，有多達一半以上的DNA都會轉(zhuǎn)錄為RNA，其中絕大多數(shù)為ncRNA。但研究人員卻對整個ncRNA世界了解甚少，每個細胞類型在特定時間內(nèi)所有蛋白和所有ncRNAs的功能是什么？它們之間有什么相互作用？和DNA之間的相互作用又是什么？要弄清這些，揭示生命的奧秘，遠比基因組計劃更為艱巨。盡管道阻且長，但楊效曾并不曾有任何疑慮，博士畢業(yè)后他帶著豐碩的科研積累進入美國陶氏化學(xué)工作，他縮小研究范疇，將重點集中于基因組非編碼區(qū)域功能的解析上，并做出突破性的工作。

基因組非編碼區(qū)域在作物中無處不在，它對植物的生長發(fā)育、外界環(huán)境響應(yīng)等方面都有著重要的作用。為了鑒定和理解這些非編碼區(qū)域的功能，一開始，楊效曾與團隊先是借鑒了在動物領(lǐng)域中的研究方法，將其運用到植物領(lǐng)域中，但實驗后卻發(fā)現(xiàn)結(jié)果與設(shè)想的有很大出入。經(jīng)過系統(tǒng)研究，他們決定通過高通量測序的方法，研究植物里這類非編碼小RNA的特點。兩年多的時間一晃而過，團隊最終捕獲了這些小RNA的特點，成功開發(fā)出研究小RNA的算法，并編寫了相關(guān)的分析程序?！艾F(xiàn)在該方法在國際上基本成了通用的方法，目前有近50種植物用我們的方法鑒定小RNA。”楊效曾說。后來，楊效曾團隊還在原方法基礎(chǔ)上做了改進，使其更準確，效率更高，速度也變得更快。

在陶氏化學(xué)工作期間，楊效曾還主導(dǎo)設(shè)計了新精準育種方法，可以縮短育種周期、增加篩選力度與準確性，潛在的經(jīng)濟效益巨大。他研發(fā)的基于高通量測序技術(shù)篩查轉(zhuǎn)基因優(yōu)良品系的方法，被譽為轉(zhuǎn)基因篩選品系方法的一次變革。此外，他還第一次全面闡釋了miRNA和可變剪接之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)了兩種基因調(diào)控方式之間的新鏈接。

雖然來回穿梭于學(xué)校、社會中，但正是這樣的經(jīng)歷讓楊效曾收獲頗豐。作為科研人員，他坦言：“不能只是純粹地做科研，還要了解市場對科研的需求，將研究成果與實際需求結(jié)合，才是科研真正的意義。”

為了讓研究落地，2017年，帶著對祖國濃濃的思念及對農(nóng)業(yè)的熱愛，楊效曾毅然辭去美國的優(yōu)異工作，來到北京市農(nóng)林科學(xué)院，希望能將自己在種業(yè)領(lǐng)域里的研究經(jīng)驗應(yīng)用在國內(nèi)的育種事業(yè)上。

邁入新時代

近年來，在全球范圍內(nèi)，廣泛存在著糧食需求日益增長與可用耕地面積越來越少之間的矛盾，這種情形下，以育種技術(shù)為核心的作物科學(xué)逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的核心。與此同時，高通量測序技術(shù)與各類基因型分析儀器的飛速發(fā)展，也加速推動了生物數(shù)據(jù)的爆炸式增長。從過去數(shù)年的數(shù)據(jù)資源來看，在水稻、玉米、小麥等主糧作物研究領(lǐng)域里已經(jīng)積累了大量的基因組重測序、轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳組、蛋白質(zhì)組等數(shù)據(jù)資源，使作物科學(xué)研究步入大數(shù)據(jù)時代。

進入大數(shù)據(jù)時代的作物科學(xué)，通過將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到作物農(nóng)藝性狀基因挖掘與基因功能研究、與育種實踐相結(jié)合建立分子育種決策體系等一系列操作，成功推動了育種產(chǎn)業(yè)的變革，由傳統(tǒng)的以表型觀察為主的“經(jīng)驗育種”邁入新時代，轉(zhuǎn)向現(xiàn)代的以基因型為指導(dǎo)的“精準育種”。

團隊成員合影

在這種背景下，回國后的楊效曾，打算圍繞精準育種展開研究，除了針對作物基因組學(xué)數(shù)據(jù)整合與基因功能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解析、應(yīng)用機器學(xué)習(xí)方法挖掘優(yōu)異等位基因等方面展開研究，楊效曾預(yù)計還要建立精準育種標記集合，開發(fā)全基因組選擇輔助育種模型，并且要建立作物分子育種標記數(shù)據(jù)庫與育種決策應(yīng)用體系，希望以此能夠嘗試指導(dǎo)新品種的選育。

他表示，首先要通過整合、構(gòu)建主要作物基因組大數(shù)據(jù)庫，來測試基于網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)的基因挖掘算法，挖掘出與優(yōu)良性狀相關(guān)的基因，通過這種方法他預(yù)計能夠發(fā)現(xiàn)一批與主要農(nóng)作物重要性狀相關(guān)的基因，進而可以提升北京市農(nóng)林科學(xué)院在優(yōu)勢基因挖掘方面的儲備，為北京市進一步培育優(yōu)勢品種奠定基礎(chǔ)。接下來，他打算利用整合數(shù)據(jù)庫分析工具對育種模型進行探索，對育種理論和方法進行創(chuàng)新，測試育種模型在不同作物中的應(yīng)用，還要開發(fā)成熟精準的育種平臺，并努力將該平臺打造成為既可以為基礎(chǔ)研究服務(wù)，也可以為育種實踐提供決策服務(wù)的綜合性育種平臺。在此基礎(chǔ)上，楊效曾表示下一步便可以通過將精準育種與育種實踐相結(jié)合的方法，初步篩選出一批具有優(yōu)勢性狀的種系。與此同時，他還不忘督促團隊不斷對精準育種的理論、方法和實踐進行探索，要時刻保持北京市農(nóng)林學(xué)院在種業(yè)領(lǐng)域里的創(chuàng)新優(yōu)勢。

楊效曾所做的一切，都是為了我國種業(yè)領(lǐng)域的未來著想，他始終堅信，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展會大有作為，在他的帶領(lǐng)下，團隊也在時刻為我國趕超國際、成為該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者而不斷努力。