文｜本刊記者 李五洲

朱培坤：創(chuàng)造新型植物

文｜本刊記者 李五洲

朱培坤的研究，是把任意一種植物的染色體導(dǎo)入另外一種植物的受體細(xì)胞內(nèi)，通過對(duì)雜交染色體細(xì)胞的分化培育，獲得具有雜交染色體的新類型植物——從理論上說幾乎是可以將任何兩種或多種高等植物進(jìn)行染色體雜交，從而創(chuàng)造出人類所需的各種新類型植物。

2015年1月1日，中國(guó)農(nóng)業(yè)部植物新品種保護(hù)辦公室公布了第93期品種權(quán)授權(quán)公告，兩個(gè)由豌豆和玉米染色體雜交而獲得的植物新品種——百綠珍玉18和百綠珍玉216，獲得了新品種權(quán)證書。這意味著，中國(guó)人獲得的雜交染色體植物豌豆-玉米新品種經(jīng)過多年測(cè)定和分析，最終獲得了國(guó)家的認(rèn)可；同時(shí)這也表明中國(guó)率先獲得了綱間雜交植物具有生物功能的雜交染色體。

打破綱間雜交規(guī)則第一人

在植物分類學(xué)上，豌豆屬于雙子葉綱豆科植物，玉米屬于單子葉綱禾本科植物，綱間雜交在過去是根本無法想象的事。因?yàn)樵谥参镞z傳學(xué)和植物育種學(xué)中，遠(yuǎn)緣雜交不育不結(jié)籽不傳代是有史以來公認(rèn)的規(guī)則，而綱間雜交更是被認(rèn)為根本不可能發(fā)生的?，F(xiàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)部決定對(duì)兩個(gè)豌豆-玉米雜交組合授予新品種權(quán)，意味著這一世界性難題終于被中國(guó)科技人員朱培坤一舉攻克。

在這一過程中，深圳大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和香港科技大學(xué)的專家學(xué)者對(duì)雜交植物豌豆-玉米進(jìn)行了多種免疫電泳分析，證實(shí)雜交玉米表達(dá)并存在不少豌豆蛋白，從而證明豌豆和玉米之間的大量基因進(jìn)行了雜交并通過表達(dá)從而獲得雜交植株，從此人類正式進(jìn)入了改造各種禾本科糧食作物的新時(shí)代。

而豌豆-玉米染色體熒光原位雜交成像照片也清楚地顯示，有半數(shù)以上的染色體是由紅藍(lán)兩色組成的，說明豌豆的確和玉米異源的染色體DNA和玉米的染色體DNA雜交形成了新核型染色體。雖然和玉米同源的染色體DNA無法顯示，但是通過對(duì)每條染色體的長(zhǎng)臂、短臂、著絲點(diǎn)等的測(cè)量，可以知道它們都發(fā)生了雜交。通過豌豆染色體和玉米染色體的全面雜交，豌豆-玉米的10對(duì)共20條染色體的每條染色體都成了雜交染色體。

朱培坤在深圳百綠實(shí)驗(yàn)室

作為高等植物染色體雜交技術(shù)的發(fā)明人及其學(xué)術(shù)理論的奠基人，朱培坤從1982年起從事探索高等植物的非常規(guī)雜交，起初只是為了想將青菜和大蒜兩個(gè)“非親非故”的物種進(jìn)行雜交，從而期望青菜帶上大蒜味，來拯救飽受帶毒蚜蟲之害的上海青菜。因?yàn)樗J(rèn)為“蚜蟲最害怕聞到大蒜的味道”，所以一旦青菜散發(fā)出大蒜味，就能達(dá)到不讓上海青菜病毒病的介體——攜帶感染青菜病毒的蚜蟲四處傳布危害青菜的病毒。由此起步，經(jīng)過漫長(zhǎng)的探索，朱培坤最終在2001年攻克禾本科糧食作物的染色體雜交，揭開了高等生物染色體雜交的秘密。這個(gè)發(fā)明讓高等植物的雜交不再受到任何種屬的局限，從而讓高等植物可以自由進(jìn)行染色體雜交。2011年，山東科學(xué)技術(shù)出版社出版了他的專著《高等植物染色體雜交》，這是世界目前唯一一本關(guān)于高等生物（植物）染色體雜交的專著；2012年該書獲得華東地區(qū)科技圖書一等獎(jiǎng)。

過去人們所說的雜交，往往是指有性雜交即同種作物內(nèi)不同品種之間的雜交。而朱培坤的研究，則是把任意一種植物的染色體導(dǎo)入另外一種植物的受體細(xì)胞內(nèi)，通過對(duì)雜交染色體細(xì)胞的分化培育，獲得具有雜交染色體的新類型植物——從理論上說幾乎是可以將任何兩種或多種高等植物進(jìn)行染色體雜交，從而創(chuàng)造出人類所需的各種新類型植物。

比如將耐鹽堿、耐干旱的植物大米草、駱駝刺等的染色體和糧食作物細(xì)胞里的染色體雜交，就取得了可以直接在鹽堿地、山坡地種植的糧食新品種；將高營(yíng)養(yǎng)的作物與高產(chǎn)量的作物雜交，就可獲得高產(chǎn)、高營(yíng)養(yǎng)的糧食新品種，如亞麻-玉米等。目前他已經(jīng)創(chuàng)造出了豌豆-玉米、小麥-玉米、水稻-玉米、大米草-玉米、大米草-水稻、高粱-水稻、玉米-水稻和玉米-小麥等一系列100多個(gè)新類型糧食作物。在農(nóng)業(yè)部最近授予的兩個(gè)豌豆-玉米新品種之前，他發(fā)明的水稻-玉米和小麥-玉米已分別在2009和2010年獲得農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的植物新品種權(quán)證書。

記者不久前曾赴江蘇省宿遷，目睹了宿遷引進(jìn)種植的染色體雜交糧食作物亞麻-玉米。在深秋的塑料大棚里，亞麻-玉米結(jié)出了碩大的棒子，散發(fā)出淡淡的幽香，種子的苞片類似亞麻種子的苞葉比較碩大，亞麻-玉米的果穗、籽粒油亮發(fā)光，無論看起來還是摸著都有油滋滋的感覺。

盡管即將收獲的亞麻-玉米還沒有經(jīng)過營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定，但是此前在陜西地區(qū)對(duì)另一個(gè)品系的亞麻-玉米的后代進(jìn)行生化測(cè)定和分析已表明，從亞油酸（十八碳二烯酸）的結(jié)果來看，與對(duì)照玉米相比較，油酸最高增幅達(dá)26.81%，而且亞油酸普遍增高，改善了玉米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

亞麻-玉米植株

生命科學(xué)的里程碑

高等植物雜交染色體的創(chuàng)制，將會(huì)深刻影響農(nóng)業(yè)種業(yè)的發(fā)展。2014年3月下旬，在美國(guó)的《Science》和英國(guó)的《Nature》上，西方科學(xué)家發(fā)表了人工合成酵母菌3號(hào)功能染色體成功的文章，西方科學(xué)界一片歡呼，稱其是世界生命科學(xué)的一個(gè)里程碑。

酵母菌是單細(xì)胞生物，是最低級(jí)的真核生物。朱培坤認(rèn)為，盡管這是人工合成的最低級(jí)真核生物的一條染色體，但確實(shí)是合成生物學(xué)的一座里程碑。但是，從宿主生物的復(fù)雜性來看，高等植物創(chuàng)制具有生物功能的新核型染色體尤其是創(chuàng)制細(xì)胞里所有的新核型染色體，并在具有完善的生物功能的基礎(chǔ)上分化成染色體雜交植株，從而保持遺傳穩(wěn)定代代相傳，形成一個(gè)植物新品種，并不容易。

事實(shí)是，朱培坤在2001年就獲得豌豆-玉米雜交植株，也就是說人類已經(jīng)獲得人工創(chuàng)制的豌豆-玉米雜交染色體，比西方國(guó)家人工合成的酵母菌3號(hào)功能染色體早了13年。朱培坤的方法是，將外源的異源的染色體，例如豌豆的染色體導(dǎo)入受體玉米細(xì)胞里，讓兩者進(jìn)行染色體雜交形成新核型的豌豆-玉米雜交染色體。這種雜交染色體表達(dá)出新的生理和遺傳功能，具有雜交染色體的受體細(xì)胞分化成雜交植株，經(jīng)過遺傳育種形成新品種植物——豌豆-玉米，中國(guó)農(nóng)業(yè)部已授予這2個(gè)豌豆-玉米新品種的品種權(quán)號(hào)分別為CNA20070520.2和CNA20080127.9。中國(guó)人獲得高等植物人工雜交染色體的思維與技術(shù)和西方科學(xué)家們獲得酵母菌人工3號(hào)功能染色體的思維與技術(shù)雖完全不一樣，但都是通過人為的方法創(chuàng)制染色體。

植物體細(xì)胞雜交,是將植物不同種、屬，甚至科間的原生質(zhì)體通過人工方法誘導(dǎo)融合成一個(gè)細(xì)胞，然后對(duì)融合細(xì)胞進(jìn)行植物細(xì)胞培養(yǎng)，使其再分化出雜交植株。

亞麻-玉米

豌豆-玉米

豌豆－玉米原位雜交照片

小麥-玉米

創(chuàng)新染色體的途徑

據(jù)了解，想獲得任何新類型植物以及植物新品種，必須先要獲得被創(chuàng)制的新核型染色體。創(chuàng)新和合成植物染色體有多種技術(shù)和方法，主要分三大類：有性雜交（花粉授粉）、體細(xì)胞雜交（原生質(zhì)體融合）和植物染色體雜交。輻射和太空育種等物理化學(xué)方法則是通過改變?nèi)旧w及其基因，從而創(chuàng)造出新品種。

植物有性雜交分為近緣雜交和遠(yuǎn)緣雜交二種。近緣雜交在同一個(gè)物種內(nèi)不同品種間的植物用花粉對(duì)柱頭授粉進(jìn)行雜交，如雜交水稻；遠(yuǎn)緣雜交在不同的物種甚至不同的屬間進(jìn)行花粉授粉雜交，如李振聲院士育成的小偃麥品種就是通過偃麥草（父本）和小麥（母本）進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交獲得的。遠(yuǎn)緣雜交幾乎不會(huì)發(fā)生在科目之間，至于在綱之間更是聞所未聞。

植物體細(xì)胞雜交是將植物不同種、屬，甚至科間的原生質(zhì)體通過人工方法誘導(dǎo)融合成一個(gè)細(xì)胞，然后對(duì)融合細(xì)胞進(jìn)行植物細(xì)胞培養(yǎng)，使其再分化出雜交植株。1972年，美國(guó)科學(xué)家Carlson首次獲得人類有史以來第一個(gè)植物體細(xì)胞雜種即粉藍(lán)煙草和郎氏煙草的體細(xì)胞雜種，但沒有證據(jù)顯示細(xì)胞內(nèi)的染色體發(fā)生了雜交。植物體細(xì)胞雜交在上述經(jīng)典的方法上又衍生出很多方法，使得融合細(xì)胞的染色體發(fā)生各種各樣的變化。

而植物染色體雜交技術(shù)不采用植物的有性細(xì)胞和有性途徑，根本不必考慮種屬科目綱門的生殖隔離；也不采用細(xì)胞的融合。植物染色體雜交技術(shù)直接將外源的異源的染色體及其片段導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)使其和胞內(nèi)染色體發(fā)生融合雜交，從而形成新核型的雜交染色體。這一技術(shù)既巧妙地創(chuàng)新了染色體，同時(shí)又引進(jìn)了大量外源的異源的多基因。

“雖然西方成功合成了酵母菌3號(hào)功能染色體，但是要解決高等植物的多基因改造，要有效快速地創(chuàng)造植物新品種，可能還得考慮可行的創(chuàng)新高等植物染色體的途徑”，朱培坤表示。西方社會(huì)有一句諺語：上帝創(chuàng)造物種。可見創(chuàng)造物種的不易?，F(xiàn)在，植物染色體雜交使得人類創(chuàng)造植物物種向前跨出了具有實(shí)質(zhì)性意義的一步。目前，通過植物染色體雜交可以自由創(chuàng)造植物新品種，也就是說可以自由創(chuàng)造植物新核型雜交染色體。一旦攻克這一關(guān)，人類離創(chuàng)造植物新物種就為期不遠(yuǎn)了。