國家百千萬人才工程人選、山東省“泰山學者”特聘教授付道林

　　新浪財經訊 《CC講壇》第二十期于2017年8月12日在北京東方梅地亞中心M劇場舉行，國家百千萬人才工程人選、山東省“泰山學者”特聘教授付道林出席并進行題為《神奇的國寶級小麥基因》的演講。

　　在小麥被人類馴化的一萬年以后，它的高產問題仍然困擾著全世界的科學家。付道林團隊成功克隆小麥的“國寶級”基因，不斷解決著小麥高產、育種安全的世界難題。

　　以下為發言實錄：

　　付道林：我本人是一個農民子弟，1971年出生在魯西南的一個小鄉村。我有一個非常快樂的童年，但是大家想一想，在上世紀70年代初，當時我們的生活水平還不是很高，所以當時我們除了到田間勞動之外，我們還經常想我們能不能吃得飽、吃得好，我們能不能吃到真正的白面饅頭。

　　就是在農村的那段時間，我真正認識到農民的疾苦，認識到豐收的含義，認識到糧食的重要。就在這種不自然之間增加了我對大地的愛，對糧食生產的這樣一個情感。

　　正是懷著這份情感，在1990年我被山東農業大學農學院錄取。在收到錄取通知書的那一天，我非常激動。大家看到的這是我在初中、大學以及碩士研究生階段幾個歷史鏡頭。

　　2000年的8月8日，我踏上了飛向美國的飛機，從2000到2008年我是在國外學習和工作。在我的心目中，八年是一種精神，它意味著執著、奮斗以及進取。從2000到2003年，我是在美國堪薩斯州立大學讀我的博士學位，當時我從事的研究是草坪草的轉基因研究。大家可以看到這個是叫匍匐剪股穎的一種草坪草，主要是用于高爾夫球場里面的這個最平整最細的那片草坪。

　　大家想一想草坪草和小麥之間關系非常遠，但是草坪草的研究為我后期小麥的研究奠定了良好的基礎。所以在后期的教學過程中，我經常教育我的學生要嚴肅認真地對待你人生的每一個階段，做到你人生能力范圍內的最好表現。

　　在完成我的博士學位之后我開始要工作了，這時候面臨兩個選擇，當然我還是在美國。一個就是，是否要到美國環保局旗下的一個研究所繼續我的草坪草研究，因為這個領域非常熟悉，這個工作待遇也非常優厚。另外一個工作，就是我可以選擇到美國加州大學戴維斯分校從事小麥的研究，小麥我還沒有從來沒有做過，對我來說是一個挑戰。但是想到我童年時代想吃到白面饅頭的這樣一個幻想，想到我們山東是小麥的主產區，我當時堅毅地選擇了小麥的研究。

　　從2004年到2008年，在美國加州大學戴維斯分校從事我的博士后研究。當時我的老師是國際小麥知名專家Jorge Dubcovsky 教授，在戴維斯分校我工作了將近五年的時間，我以第一作者的身份在《自然》雜志發表了小麥抗條銹病基因的克隆。說到這個故事，我總是想到我的老板Jorge Dubcovsky教授，他現在已經是美國科學院的院士，他對這項研究非常得意。每次總是驕傲地說，這是我們實驗室里面克隆基因最快、效率最高的一項研究。

　　在國外的八年，我時時刻刻地想著如何為我們國家做出一定的貢獻，我時時時刻刻地關注我們國家的一切進展，我每看到國家任何一點進步都非常興奮，看到國家的任何一點災難我也感到非常的傷感。在國外的八年，我見證了我們神五上天，也感受到了汶川大地震的災難。在國外的八年，我真正見證了我們中華人民備受尊重的這樣一個時代的變遷。所有這一切都堅定了我回國工作的這樣一個信念。

　　面臨回國，有兩種不同的選擇。一個是工作地點，一個是研究方向。我可以留在我們北京，我可以到地方；我可以到這個科研院所，也可以到這個高等院校。當時山東農業大學的趙延兵老師正好到美國出差，他專門飛到美國加州來勸說我回到母校工作，當時我倍受感動。說到這里我想到另外一件事情，不知道大家認識不認識我國小麥（遠緣）雜交之父李振聲先生？李先生是我愛人的老師，我有機會就回山東農業大學工作這個事情咨詢李先生的意見。李先生當時語重心長地說：“付道林同志，我在祖國大西北陜西楊凌一待就是31年，這31年對我以后的成果與突破奠定了良好的基礎。如果你有時間、有條件回到山東農業大學工作，回到更需要你的地方踏心實地的開展工作，你一定能做出更大的成績！”所以李先生的話深深地感動了我，更加堅定了我回到山東農業大學工作的這樣一個信念。回到山東農業大學工作另外一個原因就是，山東省是我的故鄉，山東省是小麥生產的一個重要的生產基地。所以我愿意到這樣一個大的戰場去發揮我的作用。

　　就在2008年的9月，我惜別了我的妻子和兩個年幼的孩子，其實當時我的小孩子還不到一歲，我回到了山東農大工作。開始的日子是非常難接受的，因為每天疲勞了一天回到家里關上燈躺在床上，這時候我眼前浮現的全是美國我的孩子、我的妻子，所以這種思緒回到美國的另外一端，我感覺就是非常非常難以入睡。大約經過了三個月的時間，我逐漸適應了這種新的生活、新的工作節奏。

　　這時候開始想象我將來做什么。因為我在美國是從事抗病研究的，我知道這項研究非常重要，我可以繼續。但是我知道中國的現狀，中國這一塊我們需要糧食，我們人口眾多。比如來說，在中國我們現在有18億畝耕地，占世界耕地的7%左右。但是我們的人口超過了13億，占世界人口的21%左右。所以如何利用有限的耕地養活世界上近1/5的人口，對我們來說也是一個很大的挑戰，我們需要糧食。

　　所以說這樣我就給大家簡單介紹一下，玉米是我國的第一大雜糧作物，它在中國占地面積是5.5億畝。大家可以看一下這個玉米植株，它長得非常特殊，它的雄性組織在頂部，雌性組織在中部，它是雄雌異花的一種植物，所以說很容易通過人工的方式把它這個雄性組織去掉，這樣玉米的雜交發展就非常快。到目前為止，我們中國已經實現了百分之百的玉米雜交種這種應用和生產，然后玉米的單產紀錄現在已經超過了1500公斤。

　　水稻是我國第一大主糧作物，也是叫口糧作物。它和玉米不同的是，它是雌雄同花的一個植物，它的雌蕊和雄蕊非常近，這時候很難通過人工的方式或機械的方式去除它的這個雄性部分，所以我們主要依靠這個雄性不育系的方式進行雜交玉米的生產。袁隆平在這個領域做出了巨大的貢獻，他堪稱中國的“雜交水稻之父”。

　　相比之下小麥是我國第二大主糧作物，它在中國的占地面積大約是3.6億畝。小麥和水稻差不多，也是雌雄同花的一個植物。但是為什么小麥到目前為止我們還沒有實現雜交種的生產和應用？這是因為在小麥上，我們很難實現成千上萬不同雜交組合的這樣一個實驗。另外一個就是我們現在缺乏切實有效的一個雄性不育基因，我們還沒有挖掘到。再一個就是我們還沒有這個高效的雜交體系，這是限制著小麥雜交種的生產的幾大障礙。

　　小麥的常規雜交種經過過去幾十年來的一個發展，目前也達到了畝產大約800公斤的一個表現。但是雜交水稻的畝產記錄現在已經超過了一千公斤。如果實現了雜交小麥，能不能和雜交水稻一樣也提高到一千公斤畝產水平？這是我們需要思考的一個問題。

　　自上世紀70年代以來，我們國家有一個到田間尋找不育株的這樣一個全國大協作群眾運動。當時我們山西省太谷縣的高忠麗這個農民技術員，她在田間發現了一種特殊的小麥，這個小麥它的穗子蓬松，在陽光下看半是透明。它的雌蕊發育正常，而雄蕊幾乎退化，明顯的一個不育株。在1979年中國農業科學院鄧景陽博士把這個小麥定名為太谷核不育小麥，這個小麥只有我們中國有，所以成為我們國寶級小麥。太谷核不育小麥的雄性不育性狀它是受一個顯性核基因控制，在30年前大約是這個1981年的時候，然后定名為MS2。

　　但是在這個MS2冠名的背后，這個基因到底是什么，它長什么樣我們一直都不知道。利用太谷核不育小麥我們國家育出了很多這個小麥品種，比如說到了2010年，我們國家通過這個育種體系獲得了科技進步的一等獎。這顯然說明這個太谷核不育小麥是非常重要，但是它背后的這個太谷核不育小麥基因是更為重要的一個東西。

　　當時我回國之際，我了解到山東農業大學的孫蘭珍老師在這個領域做了多年的工作，也積累了大量材料，孫老師希望年輕人能夠繼承這項研究，能夠克隆到國寶基因。所以當時我主動找到孫老師，然后我們決定揭秘這個國寶基因。

　　大家知道在普通小麥里面大約有12萬個基因，到底哪一個基因是我們的國寶基因，這就好比大海撈針。所以我們用了一個經典的方法叫圖位克隆，然后利用五年的時間把這個基因定位在大約30kb的這樣一個位置。舉個例子來說，我把小麥的全部基因組圍繞赤道一圈，地球赤道一圈是4萬公里，這樣我們可以把基因定位在大約75米的距離。

　　聽著非常容易，但是其實這個過程中我們遇到了很多的困難，比如說這個研究我們經歷了六年。其實小麥上很多研究要經歷十年、二十年，但是我們的研究生需要三年就要畢業，這時候你要平衡研究生畢業和項目持續性的關系，但每一次牽扯到人員變動對我們項目來說都像動一次大手術，大傷元氣。好在我們項目里面我們有倪飛博士同學，在這個上面堅持了六年，經過六年的研究最終拿到了基因。更為可喜的是，今年倪飛獲得了“山東十佳大學生”的稱號，所以在此我想感謝我們實驗室以倪飛同學為代表的研究生團隊。

　　我們遇到的另外一個問題就是說，這種研究需要基因組文庫。在當時2012年前后，大約需要100萬人民幣，而我的項目只能支付其中的25萬。還有75萬的缺口怎么辦？我們需要做一個大膽的決定，要借錢做這項研究。想想2012年前后對我來講借75萬人民幣來做這項研究并不是那么容易。當時我們學校有幾位老師像張憲省、董樹亭等等教授對這個項目非常認可，然后從其他項目里面暫時借給我們75萬元，所以才導致這個項目能夠按計劃進行。我在此我也向曾經支持過我們研究的所有老師以張憲省老師、董樹亭老師為代表的老師們表示衷心的感謝。

　　第三個觀念就是說，當我們把基因定位在類似75米的這樣一個距離里面，我們開始看它的sequence，它的序列，我們開始搜查所有的基因數據庫，但是我們沒有發現這里面有任何基因的影子，我們非常失望，我們不知道怎么辦，難道是我們走錯了？我們已經花了五年的時間，一旦我們走錯了很可能我們要回到過去再走五年。所以當時我們非常失落，在沒有辦法的時候，當時我們就大膽地想，我們只能采取這個死馬當作活馬醫的這樣一個想法，然后利用一些預測軟件看一下這個區段的序列，有沒有一些潛在的基因。當時我們預測發現有六個基因存在，其中PG5這個基因非常有意思，只有這個基因在我們這個材料里面有表達，并且令人震驚的是這個基因只在太谷核不育小麥里面，并且只在太谷核不育小麥的花藥中表達。這種表達模式對我們來講，也許我們已經看到了我們一直追尋的這個國寶級基因。

　　所以當時我又開始睡不著覺了，我在思考如何趕快驗證這個基因的身份，它到底是不是我們的國寶基因。我們采取了兩個不同的驗證方式，一個是突變分析，一個是轉基因研究。大家可以看這個圖像，突變分析我們把太谷核不育小麥進行突變，我們突變掉之后發現所有PG5基因發生突變的材料變成了可育的一個表型，然后我們把這個基因轉到可育的材料里面，所有轉基因的個體都變成了這樣一個不育的表型，所以結合以上所有證據我們可以確認，我們已經拿到了我們的國寶基因。

　　所以在今年的4月28號這項研究發表在國際知名雜志《自然?通訊》上面，在發表之后得到了很多媒體的關注，比如說《人民日報》《科技日報》。其中《中國教育報》用神奇二字來描述這個故事，但是這個基因神奇在什么地方呢？神奇之一，這個基因它是非常獨特的一個基因，是在小麥和小麥的這個親戚里面存在，而在水稻玉米中和其他一些主糧作物中都不存在，所以這是為什么當時我們在數據庫里面沒有發現這個基因的一個原因。神奇之二，這個基因有特異的表達模式，它只在太谷核不育小麥特定的發育階段的花藥中表達，這里面大家可以看到，我們為了驗證這個基因蛋白產物，我們當時用到激光共聚焦顯微鏡，但是這個顯微鏡用的頻率非常高，當時我帶著我的學生從午夜時分到凌晨四點一直觀察這些不同的樣品。雖然非常辛苦，但是對科技項目、科技成果的這種好奇與期盼完全給我們提供了足夠的動力。神奇三，這個基因來自小麥，難道它只在小麥中發揮作用嗎？所以我們通過轉基因研究發現，它在大麥、短柄草等不同植物上都有作用，這就說明這個基因的應用的這個潛力非常廣泛，不但是小麥，可以用來創制很多不同物種的這個雜交制種體系。

　　我們知道太谷核不育小麥在這個育種中發揮巨大作用，一旦我們拿到這個基因，我們可以創制新的太谷核不育小麥，我們可以嘗試新的這個不育體系。這種不育體系不但對我們中國小麥育種有利，而且在世界上也會發生重大的作用。最為重要的是，一旦我們有了這個基因，我們可以實現小麥雜交種這樣一個生產。所以大家可以看到這張圖，在我們左邊我們可以同時測試成千上萬份不同雜交組合，從中挑到高優勢的雜交組合進行規模化地生產，從而服務我們這個糧食安全。

　　拿到基因不代表我們擁有基因，如何保護這個國寶級基因？所以說當時我們在2015年的5月驗證了基因功能之后，我們就想一定要拿到這個基因的專利。在2015年的6月4號，我們遞交了這個專利的申請。想到遞交專利那一天，我已經三周沒有好好休息，當時身體出現了一點狀況，但是檢查又檢查不出什么毛病，就這樣堅持大半年的時間然后慢慢開始恢復。身體是我們革命的本錢，但是一旦忙起來，我們也在消耗自己的本錢。在此我想告誡在座的各位一定要關注身體、關愛自己，有一個健康的體魄你才有能力有機會為我們國家做出更好的貢獻。

　　拿到了基因非常重要，下一步工作怎么辦？怎么能做得更好？前段時間我和我的學生倪飛專門拜訪了指引我們成長的孫蘭珍老師。孫蘭珍老師見到我們非常高興，他對他的愛人講 ：“這就是小付，他克隆了國寶基因，這是我們這一輩人的希望，我們一輩子人的夢想。我希望你們很好地利用好國寶基因，創造出更高的價值。”當我聽到這句話時，我突然想起我平時對我學生經常講的一句話，我說無論將來你們走向任何崗位做任何工作，一定成為一個價值的創造者，不要成為金錢的搬運工。聽著孫老師的話，我們知道將來的研究方向，我們要建立國寶基因的雜交小麥的高效的不育體系。也許在將來，經過十年二十年，這個小朋友其實她是倪飛的女兒，這個小朋友能夠吃上不僅是白面饅頭，而且是雜交小麥做的白面饅頭。謝謝大家！

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