科学家找到水稻“多年生”开关

发布时间: 来源：中国科学报

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如果时间回到8年前，中国科学院院士韩斌和合作者王佳伟可能不会想到，一次不经意的跨界合作，会让他们找到控制水稻寿命的基因“钥匙”。

一粒稻种，落地生根，开花结实，随后枯萎死亡——这是人类驯化水稻的生命轨迹。

而今，这一“宿命”被打破了：中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员韩斌与王佳伟团队合作，挖掘出水稻“长寿”基因，有望让人类驯化水稻在收获后“返老还童”，从“一年生”作物回归“老祖先”野生稻的“多年生”特性。近日，相关研究成果以封面论文形式发表于《科学》。

国际科学界认为，这是一项非常重要的进展，有望让水稻“像苹果树一样，实现‘一次栽种，多年收获’”。日本名古屋大学的植物遗传学家Moto Ashikari在接受《科学》采访时评价称：“这项研究提供了强有力的概念验证：通过基因手段，一年生作物有望被改造成多年生作物。”

联手追踪“遗失的钥匙”

故事的起点，源于2018年一场不经意的聊天。

“韩老师，你们最近在忙啥？”

“我们刚发现一个很有意思的基因片段，你有没有兴趣？”

在汇聚植物学、昆虫学与合成生物学等学科门类的分子植物卓越中心，很多时候，合作不需要什么“正式”的程序。餐厅、咖啡厅，或是散步时偶尔碰到，聊上几句，契机就来了。

“60后”的分子植物卓越中心主任韩斌和“70后”的中生代科学家王佳伟就是在这样的情境下一拍即合，决定一起寻找水稻的“长寿”基因——控制水稻生命周期的“开关”，让这种主粮作物种一年、连收数年。

“在植物学领域，有一句话是‘年年岁岁花相似，岁岁年年花不同’。”韩斌说，“很多植物，特别是一年生植物，一旦开花，就会走向死亡。”

对于水稻来说，自然界未经驯化的野生稻是多年生的，但人类驯化的栽培稻却是一年生的。这是人类上万年选育的结果——要收获有营养的种子，付出的代价就是寿命缩短。

“袁隆平先生的梦想是‘禾下乘凉’。未来，能不能像收获木本植物的种子那样收获水稻这样的禾本植物，减少年年耕种对土地、劳动力的消耗？”这是韩斌多年的梦想。

问题的关键在于找到遗失在历史长河里的那把“长寿”基因“钥匙”。这并不容易。

韩斌和王佳伟一开始并不确定，他们能做的只有尽可能发挥各自团队的优势。韩斌团队长期深耕水稻基因组和遗传学研究，拥有珍稀的野生稻资源、高效的复杂基因组鉴定方法；王佳伟团队则擅长植物发育生物学研究，尤其是多年生植物年龄研究。

“从理论上来说，这件事是可行的。”韩斌解释说，将野生稻与栽培稻杂交并反复回交，把野生稻的所有单基因片段全部“替换”到栽培稻的基因组中，再逐一检测其能否让栽培稻变成多年生，就能“揪出”那个“长寿”基因。

这注定是一场“马拉松式”的研究。由于生殖隔离，野生稻和栽培稻杂交成功的概率极低。

2012年，韩斌带领团队开展水稻起源研究时，从全世界收集了400多份野生稻。为了养好这些“宝贝”，他在海南租了一个农家院。直到2018年，经过6年“蹲守”杂交，他们才将控制多年生性状的基因锁定在水稻1号染色体上的一个小区域。“有点眉目了，但还没有完全确定。”韩斌回忆说。

与王佳伟的合作恰逢其时。两位科学家带着一批“80后”“90后”青年学者攻克难关，经过反复搜索确定了一个目标。

“无尽的分枝与分蘖”

通过对446份野生稻资源的系统研究，合作团队终于找到了那把“钥匙”——植物发育生物学领域的“明星分子”miR156。过往研究认为，miR156在植物幼苗期高表达，维持幼年状态；随着植物生长，其表达量逐渐降低，植物随之衰老并进入生殖生长。

合作团队发现，在野生稻中，miR156由两个串联排列的微小RNA——MIR156B和MIR156C组成。它们的表达量会随着植物年龄增长而减少，但在野生稻开花后，串联基因又会重新启动，回到高水平，逆转腋芽发育程序，使其恢复营养生长，不断长出新分蘖，重复生长、开花、结籽的历程。

新发现让团队师生为之雀跃。分子植物卓越中心高级工程师吕丹凤仍记得那个瞬间——当博士生戴冰馨将带有荧光标记的基因转入水稻生长点，她在显微镜下捕捉到miR156的表达在开花后先降后升、重新激活。“观察到那个结果的时候，我们特别兴奋，觉得太神奇了。”

韩斌的学生、如今在德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所进行博士后研究的陈二旺，给这个基因起了一个形象的名字——EBT1（Endless Branches and Tillers 1），意为“无尽的分枝与分蘖”。

有趣的是，miR156是王佳伟研究了近20年的“老朋友”。此次在野生稻中的意外发现，让两个团队的研究奇妙交汇。“看到这个结果时，我简直是拍着大腿恍然大悟：我怎么早没有想到这个基因！”王佳伟难掩兴奋。

研究到这里只进行了一半，还要验证这把“钥匙”的功能。戴冰馨记得，2020年的一次讨论中，韩斌在办公室小黑板上边画出一株水稻边说：“如果将EBT1基因和匍匐基因聚合到栽培稻中，让水稻分蘖角度变大，茎秆倒伏后，分节落地扎根，岂非又会形成一个新的植株？”

根据这个设想，团队经历了四五年的水稻杂交、自交，终于将EBT1与科学家已经发现的两个水稻匍匐基因PROG1和TIG1聚合。新创制的水稻能像野生稻一样匍匐生长，在海南田间环境中已存活两年，不止一次结出籽实。

回忆8年研究历程，戴冰馨坦言，压力是实实在在的。她从2017年入学起便投身这项研究，直到2023年博士毕业，一篇论文也没发表。看着同学陆续有成果产出，“同辈压力”一度让她焦虑到极点。

关键时刻，两位老师的支持让她坚持了下去。戴冰馨每周六去王佳伟实验室讨论，有时没有新进展，她觉得“交不了差”。王佳伟宽慰她，分享最近的文献也有裨益，不一定每次都要汇报新进展。韩斌则常告诉她：“道可致而不可求。可以努力去实现，但不要强求。功夫到了，结果自然会来。”

在海南，他们在烈日与风雨中反复淬炼。炎热的夏天，他们“全副武装”——穿长靴、裹防晒，在湿热中作业。有时遇到暴雨，水深齐膝，田里的水渠都被冲垮了。暴雨稍歇，他们就会蹚着看不见路的积水，推着自行车慢慢挪进田里，“心里只希望我的苗不要被冲走了”。

这份淬炼，最后都化为满满的喜悦。

不是句号

论文登上封面的背后，还有一段不为人知的曲折经历。2024年12月，在论文修改阶段，审稿人要求补充田间试验数据，证明材料能存活两年以上。

团队在海南大田里补充了10个月的田间试验，杂交稻“在田里长得特别好看”。然而，一场意外的农田整修时,大车开过，把田里的苗全部压死了。

所幸，戴冰馨“留了一手”——在小院的缸里也种了一份。缸里的苗因空间受限，长得像蘑菇头，无法呈现大田里的舒展姿态。为了向编辑展示，他们把缸里的苗挖出来，摆成一个圆盘状拍照。没想到，这张“阴差阳错”的照片，最终被《科学》选为封面。“这或许是坚持带来的好运。”吕丹凤笑着说。

王佳伟表示，这项研究的成功得益于分子植物卓越中心多年来形成的多学科交叉优势。“关起门来，靠自己力量总是弱一些的，合作起来能够更好地促进发展。”他说。

尽管水稻“长寿”基因成果已登上《科学》封面，但相关研究尚未画上句号，从“植株”到“品种”还有很长的路要走。

多年生野生稻籽粒小、产量低。将栽培稻从一年生变成多年生后，如何提高品质和产量是个难题。韩斌对此持乐观态度。“虽然多年生栽培稻的单季产量可能略低于传统高产稻，但考虑到节省种子、人力和减少耕作等，其综合效益巨大。”他说。

同时，这一基因资源不仅可用于水稻，还有望拓展至饲草作物。“如果把EBT1导到饲草里，让它长得更茂盛，对提高饲草产量有很大意义。”韩斌说。

韩斌认为，做“从0到1”的强芯研究很重要，但“从1到10”的落地也需要投入。据介绍，分子植物卓越中心为此成立了知识产权转移转化处，鼓励每个课题组把成果主动地、有组织地加以转化。关于“长寿”基因的落地，他希望用四至五年的时间，选育出品质更好的多年生水稻材料。

王佳伟则描绘了一幅未来农业的图景：“在贵州、云南的坡耕地、梯田上，大型机械化装备上不去。有了多年生水稻之后，农民就可以像种茶树一样，每年收获。”