干思思

柑橘，是目前世界第一大類水果，也是我國種植面積最廣、產(chǎn)量最高的果樹之一。自古以來，圍繞柑橘流傳的各類詩文篇章不絕于耳。如今，市面上所見的各式各樣的橘、橙、柚還有檸檬等都屬于柑橘一族。為何柑橘家族能發(fā)展得如此龐大？種類如此繁多？

“關(guān)鍵還是它們特別能雜交。”華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授柴利軍介紹，通過研究發(fā)現(xiàn)，柑橘家族其實(shí)都來自于3個(gè)基本種——橘、柚、枸櫞，其他栽培種類都是它們相互雜交產(chǎn)生的后代。不過，這些后代們?cè)谕庥^、口感、性狀等方面均表現(xiàn)出巨大的差異。比如琯溪蜜柚一顆籽也沒有，而沙田柚卻有很多;大部分柑橘不授粉也能正常結(jié)果，有些柚子卻只能人工授粉才能結(jié)果……背后的原因到底是什么？為了探清柑橘進(jìn)化機(jī)制背后的秘密，柴利軍一做就是15年。

誰在控制柑橘“傳宗接代”

自然界中，絕大部分被子植物都是兩性花，即一朵花上既有雌蕊又有雄蕊，并且發(fā)育都正常。理論上，這樣的植物可以實(shí)現(xiàn)自交授粉產(chǎn)生后代，比如柑橘家族中寬皮柑橘就可以實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上這樣的植物屬于極少數(shù)。大部分兩性花植物自交授粉后，花粉管在柱頭或花柱中上部就會(huì)被抑制生長，無法正常產(chǎn)生后代，這種現(xiàn)象被稱為“自交不親和”。

“從植物進(jìn)化角度來看，這種現(xiàn)象是有道理的，就跟人類禁止近親繁殖一樣，如果一個(gè)物種可以自交授粉，無疑加大了后代各類隱性遺傳病的概率，隨著環(huán)境變化逐步失去競(jìng)爭力，最終被淘汰?！辈窭娊榻B，“植物也是很聰明的，為了保護(hù)后代在長期進(jìn)化過程中不被淘汰就形成了這種機(jī)制，抑制自交授粉?！?/p>

柑橘中柚類多數(shù)表現(xiàn)為自交不親和，以沙田柚為例，就具有典型的自交不親和特性，自交坐果率僅0.3%，這就導(dǎo)致果農(nóng)在生產(chǎn)中需要配置酸柚做授粉樹或者每年春季都要爬到樹上給柚子人工授粉，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還十分危險(xiǎn)?！八晕覀兿敫闱宄@個(gè)機(jī)制到底是什么東西在控制，為什么不能用自己的花粉授粉。”

前期，科學(xué)家們其實(shí)已經(jīng)突破了十字花科、茄科、薔薇科、車前科及罌粟科等物種自交不親和機(jī)制的奧妙，但在蕓香科柑橘屬植物領(lǐng)域仍是一片空白，究其原因還是柑橘漫長的生長周期導(dǎo)致。

俗話說，“桃三李四柑八年”。柑橘從種子種下到結(jié)出果實(shí)需要八九年的時(shí)間，極大限制了科學(xué)家的觀察研究，國內(nèi)外專注于這一領(lǐng)域的學(xué)者極少，柴利軍正是國內(nèi)較早研究柑橘自交不親和特性的學(xué)者之一。

2005年，剛從華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)，考入本校園藝林學(xué)學(xué)院鄧秀新院士門下的柴利軍，第一次接觸到了柑橘自交不親和機(jī)制研究的課題。在他之前，課題組從來沒有人從事過相關(guān)研究，國內(nèi)外關(guān)于這一領(lǐng)域的研究報(bào)道也屈指可數(shù)，可借鑒的東西不多。為此，最初他只能借鑒其他物種的經(jīng)驗(yàn)，通過反向遺傳學(xué)的方法，利用報(bào)道中提到的其他物種某個(gè)可以控制性狀的基因，以此來反向研究柑橘。在碩博連讀7年畢業(yè)后，柴利軍入職華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院果樹系，繼續(xù)相關(guān)事業(yè)，2014年，他申請(qǐng)的研究項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金的資助，不過最終的結(jié)果卻不盡如人意。

“現(xiàn)在想起來確實(shí)非常感謝國家自然科學(xué)基金一直以來的支持，能夠允許試錯(cuò)、允許失敗。那個(gè)項(xiàng)目其實(shí)就是一個(gè)探索型項(xiàng)目，雖然失敗了，卻讓我們意識(shí)到反向遺傳學(xué)的方法是行不通的，我們必須改變方向?！辈窭娊榻B道。

適逢2013年，導(dǎo)師鄧秀新院士團(tuán)隊(duì)徐強(qiáng)教授首次繪制出了甜橙全基因組序列圖譜，開啟了柑橘的基因組時(shí)代，為國內(nèi)外同行研究蕓香科柑橘的特殊生物學(xué)性狀、功能基因組提供重要平臺(tái)?；诖?，柴利軍徹底更換思路，從反向遺傳學(xué)改為了正向遺傳學(xué)，直接進(jìn)行柑橘的遺傳群體研究。

這次，在龐大的柑橘家族中遴選研究對(duì)象時(shí)，柴利軍及其團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)放在了典型的自交不親和物種——沙田柚上，其單胚的特點(diǎn)可以排除多胚對(duì)自交和雜交的干擾。經(jīng)過長達(dá)八九年的研究，研究團(tuán)隊(duì)終于鎖定了一個(gè)關(guān)鍵基因，也就是控制柑橘自交不親和的決定因子——S-RNase蛋白。

“這個(gè)蛋白很特別，編碼該蛋白的基因具有花柱特異性表達(dá)、單一位點(diǎn)復(fù)等位基因和能夠特異性抑制自體花粉管生長這3個(gè)典型特征。”柴利軍介紹，這一特殊的基因是導(dǎo)致大部分柑橘自交不親和的原因。解決了柑橘主要的自交不親和性狀之后，另一個(gè)特殊的現(xiàn)象也進(jìn)入了他們的研究視野。與大部分柚類具有自交不親和性狀不同，寬皮柑橘及其雜交種普遍存在自交親和的特性，這又是為何？

“其實(shí)就是基因突變導(dǎo)致的?！痹跈z測(cè)自交親和寬皮柑橘材料時(shí)，柴利軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了其S-RNase基因ORF第442位有一個(gè)腺嘌呤（A）缺失，從而導(dǎo)致移碼突變和提前終止，形成了無功能的Sm-RNase蛋白。最后，通過擴(kuò)大樣本檢測(cè)量，他們明確了凡是含有突變的Sm-RNase都具有自交親和性狀。

找到了控制柑橘生殖方式的密碼之后，柴利軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出了基于Sm-RNase的分子標(biāo)記，建立了一個(gè)柑橘屬Sm-RNase基因型信息庫，為早期開展分子標(biāo)記輔助選擇自交親和的柑橘資源提供了方法。并且，在豐富的柑橘種質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)之上，他們還進(jìn)一步利用原始、野生及栽培柑橘資源，構(gòu)建出柑橘由自交不親和性向自交親和性轉(zhuǎn)變的演化模式圖，推測(cè)出突變的Sm-RNase基因早期發(fā)生在寬皮柑橘中，伴隨著柑橘種間相互雜交，進(jìn)而滲入到其他柑橘品種中，并利用寬皮柑橘獨(dú)特的無融合生殖特性逐漸將Sm-RNase基因在這些柑橘雜交種中固定，最終形成現(xiàn)有栽培柑橘多數(shù)表現(xiàn)為自交親和特性的局面。

“掌握了這把生殖基因密鑰，相當(dāng)于擁有‘上帝之眼。柑橘正常結(jié)果要8年時(shí)間，但我們?cè)诿缙诰湍荑b定出是否屬于自交親和，它能跟哪些親本配種?！辈窭娊榻B，這對(duì)柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言意義重大。

甘坐科研“冷板凳”

2020年2月13日，柴利軍團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)歷時(shí)15年的研究成果在國際權(quán)威期刊《自然·植物》（Nature Plants）在線發(fā)表。不僅如此，在發(fā)表的同時(shí)，《自然·植物》雜志特邀東京大學(xué)藤井聰太（Sota Fujii）和高山誠二（Seiji Takayama）兩位專家對(duì)相關(guān)內(nèi)容配發(fā)了評(píng)論性文章。評(píng)論指出，這項(xiàng)研究在植物交配系統(tǒng)進(jìn)化起源研究史中具有里程碑式的意義。

柑橘歷史悠久，我國是柑橘起源中心之一，也是野生及栽培柑橘最豐富的國家。柴利軍團(tuán)隊(duì)的研究不僅在基礎(chǔ)科研層面，首次揭秘了柑橘進(jìn)化及繁殖機(jī)制，填補(bǔ)了蕓香科柑橘屬植物自交不親和機(jī)制的空白歷史，同時(shí)在產(chǎn)業(yè)層面，也為生產(chǎn)和育種選配合適授粉親本及通過遺傳改良培育自交親和新種質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)。

柴利軍介紹，實(shí)際生產(chǎn)過程中，一方面非常需要自交親和性狀品種，可以有效降低人工授粉及栽培授粉樹產(chǎn)生的人工、時(shí)間、費(fèi)用等成本;另一方面，現(xiàn)在的消費(fèi)者大多不喜歡有籽水果，而自交親和品種結(jié)果后會(huì)產(chǎn)生種子。而柑橘家族中，琯溪蜜柚除了具有自交不親和性狀外就兼具單性結(jié)實(shí)的本領(lǐng)，在沒有授粉的情況下可以生成無籽果實(shí)，漳河蜜柚、晚白柚和水晶柚同樣具有此優(yōu)點(diǎn)。

“如果能將自交不親和與單性結(jié)實(shí)兩個(gè)性狀相結(jié)合，就是最理想的狀態(tài)?！辈窭娬f道，這樣一來可以同時(shí)滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求及果實(shí)的品質(zhì)，真正實(shí)現(xiàn)不需要人工授粉就可以產(chǎn)生無籽的果實(shí)，有助于促進(jìn)柑橘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在研究過程中，他們以柚類為主要研究對(duì)象，鑒定到9個(gè)高度多態(tài)性的S-RNase等位基因，并檢測(cè)收集的394份柚類自然群體，獲得其中77%的S基因型。

“擁有了這些相當(dāng)于建立了S基因型的信息庫?！辈窭娊榻B。在此之前，人們?yōu)楦涕偌易迨诜垭s交時(shí)基本依靠感覺，盲目進(jìn)行配對(duì)，如果碰到兩個(gè)相同S基因型的品種，即使配對(duì)也無法產(chǎn)生雜種子代，但現(xiàn)在不一樣了?！耙?yàn)橛辛薙基因型信息庫，我們就成了科學(xué)‘紅娘，到底合不合適，能不能做雜交，我們都一清二楚?！辈窭娬f道。

作為當(dāng)今世界也是我國第一大水果產(chǎn)業(yè)，柑橘產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位。研要為產(chǎn)業(yè)服務(wù)，自踏入柑橘研究的第一天起，柴利軍就始終堅(jiān)守著這一信念。

2021年8月18日，國家自然科學(xué)基金委公布了2021年集中接收期項(xiàng)目評(píng)審結(jié)果，柴利軍的名字赫然在列，他成為年度國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目獲得者。在相關(guān)項(xiàng)目支撐下，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)進(jìn)行柑橘自交不親和反應(yīng)互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，揭示柑橘自交不親和分子基礎(chǔ)，助力柑橘育種和生產(chǎn)效率提升。值得一提的是，評(píng)審結(jié)束之后柴利軍才聽說，他的匯報(bào)給評(píng)委老師們留下了深刻的印象——十余年研究生涯只做一件事，現(xiàn)在像他這樣甘坐科研“冷板凳”的人太少了。

“提到這里，我真的非常感謝我的導(dǎo)師鄧秀新院士，一直全力支持我們這項(xiàng)研究。花了那么多人力、物力、財(cái)力，其間的十幾年時(shí)間里都沒有好的結(jié)果，換在其他單位、其他團(tuán)隊(duì)，可能早就堅(jiān)持不下去或者面臨考核淘汰了?！辈窭姼袊@，“只有鄧?yán)蠋熞恢眻?jiān)定地支持我們，他說這個(gè)領(lǐng)域全世界都沒有人做，只要我們沉下心來一頭扎進(jìn)去，一旦突破了就是這個(gè)領(lǐng)域的第一人。正是因?yàn)樗恢币詠淼闹С纸o了我莫大的鼓勵(lì)，讓我下定決心無論如何艱難也要做下去?！?/p>

柑橘研究的確很難，動(dòng)輒十幾年的苦心鉆研，還沒有任何結(jié)果，一般人可能根本不敢想象，就連柴利軍自己也沒想到過他能把這塊“硬骨頭”啃下來，并且還能在《自然》（Nature）子刊上發(fā)表成果，這是對(duì)他和團(tuán)隊(duì)多年堅(jiān)持最好的回報(bào)。“科研很多時(shí)候就是不可預(yù)期的，只是不能所有人都追求短平快，總得有人來啃‘硬骨頭。我只是覺得一步一步穩(wěn)扎穩(wěn)打，最終的結(jié)果應(yīng)該是好的吧，就看我們?nèi)绾稳?duì)待?！辈窭娬f道。

認(rèn)定一個(gè)目標(biāo)就奮力前行，也許正是骨子里帶出來的這份“軸”才成就了柴利軍與柑橘的不解之緣。

出生于陜西最北端——榆林府谷縣一個(gè)小山村——柴家墕村的柴利軍，童年記憶中總是充滿了黃土高原的風(fēng)沙。土地貧瘠、溝壑縱橫，這樣的地方離城市與夢(mèng)想太過遙遠(yuǎn)。大字不識(shí)的父母沒有教過柴利軍任何人生秘訣，只告訴他一句話——要想跳出農(nóng)門，必須去讀書。他將這句話深深印在了心里，哪怕小學(xué)開始就得住校，每周獨(dú)自走幾十里路回一趟家也從沒有想過放棄。因?yàn)樾闹谐休d著讀書、考大學(xué)的目標(biāo)，所有的艱難困苦對(duì)于柴利軍而言都可以忍受。2001年高考，十幾年的求學(xué)等待終于迎來花開，他順利被華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝系錄取。

從沒有走出過陜西的柴利軍，此前從未聽說過華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的名字，他的第一志愿其實(shí)是西安交通大學(xué)，但并沒有關(guān)系，只要有大學(xué)上就行了。柴利軍非常珍惜這份來之不易的求學(xué)機(jī)會(huì)，進(jìn)了大學(xué)后仍然一刻不敢放松，每天刻苦學(xué)習(xí)、鉆研。大二就跟著老師做本科畢業(yè)論文，并下定了決心一定要考研。

“當(dāng)時(shí)我們學(xué)校最出名的教授就是鄧秀新教授，那時(shí)他剛被評(píng)為‘長江學(xué)者，我就想一定要考上鄧?yán)蠋煹难芯可??！辈窭娀貞浀馈Ｓ械娜藨{借天賦出人頭地，有的人則憑借一腔孤勇披荊斬棘。2005年研究生初試過后，柴利軍的分?jǐn)?shù)并不靠前，但在復(fù)試過程中，也許是被他堅(jiān)定的目標(biāo)及吃苦耐勞的品質(zhì)所打動(dòng)，鄧秀新直接將他錄取。

之后，也許是冥冥中自有天意，柴利軍又被分到了沒有任何人嘗試過的柑橘自交不親和研究領(lǐng)域。小時(shí)候，父母的一句話讓他苦讀十幾年考上了大學(xué);后來，考研的決心又讓他成功進(jìn)入了鄧秀新教授的團(tuán)隊(duì);現(xiàn)在，柑橘則成了柴利軍終生奮斗的科研目標(biāo)，哪怕“冷板凳”一坐就是15年，亦無怨無悔。

讓科研精神代代相傳

一篇論文，一個(gè)突破性成果的背后，到底包含了哪些因素？于柴利軍而言，個(gè)人的堅(jiān)持的確難能可貴，但更重要的還有團(tuán)隊(duì)的力量，是幾代人的科研精神激勵(lì)著他走到了今天。

最初接觸柑橘自交不親和機(jī)制研究時(shí)，柴利軍只是一個(gè)剛考上碩士的研究生，國內(nèi)外查不到相關(guān)文獻(xiàn)，導(dǎo)師也沒有這一領(lǐng)域的積累，但卻給了他極大的自由和包容，鼓勵(lì)他去國際上尋找當(dāng)今世界研究自交不親和領(lǐng)域的專家，誰做得最好就去聯(lián)系誰，由課題組出資送他出國學(xué)習(xí)。

“后來我找到了英國皇家科學(xué)院院士英國伯明翰大學(xué)維羅妮卡·艾爾莎·富蘭克林-湯（Vernonica Elsa Franklin-Tong）教授，她在罌粟科虞美人自交不親和領(lǐng)域研究多年，是這個(gè)領(lǐng)域的頂級(jí)專家。當(dāng)時(shí)初生牛犢不怕虎，就直接給她寫了封信，想過去學(xué)習(xí)，沒想到就被接收了。”柴利軍回憶，“鄧?yán)蠋熉犝f后非常高興，課題組全力支持，資助我出國學(xué)習(xí)一年，真的非常難得?！?/p>

柴利軍也沒有辜負(fù)這份來之不易的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，從沒出國遠(yuǎn)行的年輕人，拎著一個(gè)行李箱就跑去了英國。而且落地時(shí)間正好趕上學(xué)校休息日，沒有任何人對(duì)接，他就一個(gè)人完成了飛機(jī)、大巴、計(jì)程車幾次輾轉(zhuǎn)，再按照郵件留下的一封信找到了宿舍，利用郵件提供的密碼打開門，安頓下來。兩天后的工作日，當(dāng)他出現(xiàn)在富蘭克林·湯教授面前時(shí)，教授也被嚇了一跳，完全沒想到他這么快就自己過來了。

之后的一年，富蘭克林-湯教授更是被這個(gè)中國來的年輕人深深打動(dòng)了。每天早出晚歸、三點(diǎn)一線，幫助她完成了兩個(gè)大項(xiàng)目，由此她對(duì)中國人充滿了好感?！巴鈬鴮?dǎo)師每一次對(duì)其他學(xué)生說的都是‘你們一定要努力、要投入，唯獨(dú)對(duì)我，每次說得最多的一句話就是要好好休息。”柴利軍介紹，富蘭克林-湯教授一輩子都在跟虞美人自交不親和打交道，從她那里柴利軍學(xué)到非常多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并借鑒虞美人自交不親和研究方法，回國后在柑橘自交不親和研究過程中，基于多年生木本植物難以開展候選基因活體功能驗(yàn)證，建立了花粉離體培養(yǎng)不親和體系，有效彌補(bǔ)了柑橘8年才能開花結(jié)果進(jìn)行活體驗(yàn)證的困難。

時(shí)間，是柑橘領(lǐng)域自古以來最難攻克的命題。

從2005年到2020年，在研究柑橘自交不親和的15年間，柴利軍也從學(xué)生的身份轉(zhuǎn)變成為導(dǎo)師。畢業(yè)那年，仍然是鄧秀新教授全力支持留下了他?！班?yán)蠋熣f雖然這項(xiàng)工作做了7年還沒有結(jié)果，但還是值得堅(jiān)持并且必須要做的一件事。”不僅如此，為了支持他的工作，鄧秀新教授還將當(dāng)年從南京農(nóng)業(yè)大學(xué)保送他門下第一名的學(xué)生梁梅，交給了柴利軍來帶。

接下來又是兩年多不知未來前景的日夜鉆研，仍然沒有取得結(jié)果，碩士畢業(yè)面臨轉(zhuǎn)博的梁梅開始打起了退堂鼓。同學(xué)中或多或少都已取得成績，只有她還在原地，更不知道未來方向……如同當(dāng)年的鄧秀新教授一樣，這一次，柴利軍接過了充當(dāng)“定心丸”的重?fù)?dān)，堅(jiān)定地為學(xué)生指引方向，“項(xiàng)目已到了最后關(guān)頭，馬上就要到了撥開云霧見月明的時(shí)候了”。

重新樹立目標(biāo)的梁梅讓柴利軍深受震動(dòng)?！八钠磩攀俏乙娺^的第一人，現(xiàn)在已經(jīng)成為我們實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)桿了，同時(shí)也是我們《自然·植物》（Nature Plants）論文的第一作者?！辈窭娬f，那篇論文成果中還涉及了生物信息學(xué)，但整個(gè)課題組都沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，后來他為梁梅聯(lián)系到了中國科學(xué)家昆明植物所一個(gè)研究信息學(xué)的同學(xué)。沒想到電話溝通完不到一周，梁梅就自己一個(gè)人跑到那邊安頓好向他報(bào)告了，之后更是用了不到3個(gè)月時(shí)間，就徹底將信息學(xué)的難點(diǎn)攻克。

“梁梅博士畢業(yè)后去了美國一個(gè)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，當(dāng)時(shí)還有一點(diǎn)遺憾。但后來在一次講座中碰到她的外國導(dǎo)師，他對(duì)梁梅贊不絕口，說我給她培養(yǎng)了一名好學(xué)生，我就覺得很值得。”柴利軍說，“每代人都有每代人的使命，科研工作是系統(tǒng)工程，在每一個(gè)階段都需要有人去傳承，因此培養(yǎng)人才也是我們的重要任務(wù)。我希望從我們實(shí)驗(yàn)室、我們學(xué)校走出去的每一個(gè)人都能成為頂梁柱，撐起新時(shí)代的脊梁。”

如今，柴利軍所在的實(shí)驗(yàn)室又出現(xiàn)了一批新的人才，由在讀博士生胡健兵為骨干的團(tuán)隊(duì)成員取得了柑橘自交不親和調(diào)控機(jī)制的新進(jìn)展，不久前發(fā)布在國際期刊《園藝研究》（Horticulture Research）雜志上。

找到柑橘自交不親和關(guān)鍵因子只是第一步，后面還需要繼續(xù)研究背后的調(diào)控機(jī)制及針對(duì)性開展的產(chǎn)業(yè)手段?！拔覀兿嘈盼磥磉€會(huì)有更多、更好的成果，有人堅(jiān)持下去就有希望?！辈窭娬f。

（責(zé)編：蘇寒山）