封面人物:孔令让,山东农业大学农学院院长、“泰山学者”特聘教授、博士生导师,国家小麦改良中心山东分中心主任,山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家,山东省农作物品种审定委员会常委兼小麦专业委员会主任,山东遗传学会理事长。先后在《科学》(Science)《美国科学院院报》(PNAS)等期刊发表论文100余篇,出版教材专著2部;主持或参加审定小麦品种7个,推广面积累计5000多万亩;成功克隆小麦抗赤霉病基因Fhb7并探明其分子机制,该成果在多个科学层面取得关键性突破,并在《科学》(Science)发表我国小麦研究领域首篇论文,使我国在该领域研究走在国际前列。
教师节前夕,山东农业大学博士生导师孔令让教授收到了最好的节日礼物——“2020年度齐鲁最美教师”。消息在校园内外快速传递,师生为之喝彩。孔令让教学生涯走过的32年,正是为教学和小麦育种事业奋斗的32年。
一腔赤诚倾注小麦育种
孔令让来自山东菏泽的一个农民家庭,用科技提升农业生产水平和农民生活品质,是根植在他心底深处的梦想。
1981年,孔令让考入山东农业大学农学系,入学之初就定下了攻读研究生学习更多农业科学知识的目标。四年后大学毕业时,他被推荐免试攻读遗传育种学家丁巨波、尹承佾和李晴祺教授的硕士研究生。
当时,偃麦草刚刚被丁巨波等引入作为小麦杂交育种的优良材料,孔令让硕士期间的课题研究就是围绕偃麦草染色体片段如何导入普通小麦而展开。孔令让是个爱动脑子的人。“要做好染色体压片,能取到粗壮的小麦幼根是关键。摸索多次后,我找到了窍门。傍晚去地里浇水,第二天一早挖根,不但容易挖,取的根也比较粗壮,非常好用。医用解剖针很尖,压强过大容易毁坏玻璃片,不方便染色体压片,我就把它弄断,再拿到石头上磨平,自制的钝一点的解剖针就好用多了。然后,借助于显微镜,就能观察到清晰的细胞分裂相。最后,通过细胞学鉴定,成功地将偃麦草染色体片段导入小麦。”
1988年,孔令让硕士研究生毕业留校任教,他申请到一项2000元的学校青年科学基金,通过该项基金的资助,探明了小麦与八倍体小偃麦低育的细胞胚胎学原因,并将研究成果发表在《植物学报》和《遗传学报》,成为学校历史上第二位在此类重要学术期刊上发表文章的教师,被学校破格晋升为讲师。
1993至1996年,孔令让师从中国农业科学院著名作物品种资源学家董玉琛院士攻读博士研究生。他的工作态度和吃苦精神,给周围人留下了深刻印象。1995年8月,因为执行联合国粮农组织科研课题,他深入到内蒙古大草原待了半个多月,凶猛的蚊虫天天在他身上咬起一个个大包,有时走到草原深处,不得已就在考察车上过夜。那个夏天,他和同事们收集到几千份小麦近缘植物样本,并采集到一个冰草属新种。他的毕业论文《粗山羊草遗传多样性及其抗白粉病基因向小麦的转移》,首次揭示了不同来源的粗山羊草抗白粉病基因的多样性,为日后基因的有效转移奠定了基础,答辩时论文被包括中国科学院院士庄巧生、李振声在内的7位评委打了7个优秀。他被授予中国农业科学院优秀共产党员称号,并在毕业典礼上作为毕业生代表发言。时任中国农业科学院副院长的杨炎生称赞他“为中国农业科学院研究生院的学风建设树立了楷模”。
孔令让与自己的博士生导师董玉琛院士
为开阔视野,博采众长,孔令让先后在德国慕尼黑技术大学植物育种系、以色列海法大学进化研究所和美国普渡大学农学系学习工作。在美国的8年间,他和同事们申请到了5项美国农业部课题,其中3项与赤霉病防治和育种相关。
2008年4月,孔令让回到母校山东农业大学工作。“孩子当时正在读高一,很不理解我要回国的决定,满腹抱怨。家人也确实习惯了那里的生活,但我就是觉得客居异乡,没有归属感。再就是国家培养了我这么多年,学有所成,就应回到自己的国家,为国家建设贡献力量,自己内心才感觉踏实、安心。”孔令让坦诚地告诉记者。
回国的当年,孔令让申报成功山东省小麦分子育种学岗位“泰山学者”特聘教授,担任作物生物学国家重点实验室常务副主任。他的研究工作依然集中于两个方向,一方面深度发掘小麦近缘植物携带的抗病、抗逆、优质等优异基因,另一方面利用远缘杂交结合分子标记辅助选择技术创造新种质、培育小麦新品种。他带领团队在长穗偃麦草中发现了小麦抗赤霉病基因,在粗山羊草中发现了抗白粉病基因,在野生二粒小麦中发现抗旱耐热基因等,同时对这些基因分别进行了定位,筛选出与目标基因紧密连锁的分子标记,并利用分子标记辅助选择技术将抗赤霉病基因、抗白粉病基因等分别转移到目前大面积推广的小麦品种中,选育出一批高抗赤霉病、白粉病或兼抗多种病害的高产、优质小麦育种新材料。
在小麦赤霉病方面的重大突破,让孔令让的科研工作登上了时代巅峰。
数年磨剑克隆抗赤霉病关键基因
今年5月22日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)杂志封面文章刊登了孔令让团队在小麦赤霉病研究领域的重大成果,他们在全球首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病关键基因Fhb7,并揭示了其抗病分子机制,为粮食提质增产再添重磅砝码,这也是我国小麦研究领域在《科学》(Science)上发表的首篇文章。孔令让团队的这一发现为解决小麦赤霉病世界性难题找到了“金钥匙”,更让中国人把小麦抗赤霉病种质资源牢牢掌握在了自己手里。
孔令让团队在小麦赤霉病研究领域重大成果登上国际顶级学术期刊《科学》(Science)封面
小麦赤霉病是威胁世界粮食生产和食品安全的重大难题,不但令作物减产毁质,其产生的呕吐毒素严重污染食品和饲料,可引起人畜中毒,被世界卫生组织定为三级致癌物。
长期的生产实践证明,小麦赤霉病基本不可治,预防难度也非常大,因此培育抗病品种成为最佳选择。
2000年左右,孔令让就开始了对小麦赤霉病的研究。他在小麦近缘植物长穗偃麦草7E染色体长臂末端发现抗赤霉病主效基因,并把该基因在国际上命名为Fhb7。历经抗病基因初定位、精细定位、图位克隆、抗病分子机制解析等20年探索,成功将该基因转移至小麦品种,并明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。
他们将携带该基因的小麦种质材料分发到30多家育种单位,用于小麦赤霉病抗性的遗传改良,并在小麦主产区进行了广泛试验。数据表明,Fhb7基因具有广谱抗性,携带该基因的植株在抗小麦赤霉病的同时,对小麦另一重大病害茎基腐病也表现出了明显抗性。目前,携带Fhb7基因的多个小麦新品系已经进入国家、安徽省、山东省预备试验和区域试验,并被纳入我国小麦良种联合攻关计划,为从源头上解决小麦赤霉病问题提供了解决方案。
更加可喜的是,他们发现,Fhb7基因可以有效分解呕吐毒素,产生解毒效应,这一特性有望在粮食深加工和饲料工业中得到广泛应用,有效解决我国存储粮积累造成的呕吐毒素污染问题。
成果发布后,邓兴旺院士、康振生院士、程顺和院士等国际权威学者给予了高度评价。袁隆平院士认为,Fhb7基因是禾谷类作物种质改良和创新的难得基因,其发现和抗病机制解析对水稻、玉米等作物育种同样具有重要意义,将有力提升我国农作物种质资源创新水平,为产业提质增效、确保国家粮食安全提供重要保障。
世界顶尖杂志和一流科学大家的认可,网络上和面对面的祝贺,让孔令让和他的团队深感欣慰和鼓励。
在学校党委书记徐剑波登门祝贺时,孔令让谈起团队这么多年的努力,眼泪禁不住簌簌下落。
为了这个成果,他们做的试验不计其数,很多次感觉要叩到成功之门了,却又吃了“闭门羹”。虽说失败乃成功之母,但对科研人来说,看不到希望的数据和结果,仍是一次次的打击与历练。
在追溯该基因的进化历史时,团队成员反复对基因组序列进行比较分析,结果在整个植物界没有发现Fhb7的同源基因,却在偃麦草的共生菌———香柱内生真菌中发现了同源性高达97%的基因。
“我们第一时间怀疑可能是基因组组装被内生真菌污染了,非常沮丧,因为这意味着几年的努力全部白费了。然而过了几天,我们又对不同的偃麦草和遗传重组体进行数据分析,发现该基因的有无与植物的抗、感病表型明显相关,让我们意识到这个候选基因是真正的Fhb7。”孔令让说,沮丧与兴奋交织,是他们科研工作的常态,也让科研充满着挑战和乐趣。
2019年11月,山东省委书记刘家义来山东农业大学宣讲党的十九届四中全会精神,勉励学校努力成为“两个排头兵”,勉励学校老师真正成为强农兴农的践行者和引领者。2020年,刘家义书记又专门作出批示,要求山东农业大学在小麦、苹果等作物产业提质增效中发挥重要作用,同时攻坚“种子工程”,解决种质创新、粮食安全中的“卡脖子”问题。团队做到了省委书记要求的科研水平,孔令让颇感欣慰,立即给刘家义书记写信汇报情况。“刘家义书记很快就作出了批示,向团队表示祝贺和敬意,勉励我们把成果用于实践,更好服务小麦育种,培育更优质的小麦。我们倍感振奋、备受鼓舞!”孔令让说。
“农业科研人员为国家粮食安全作贡献,一方面是提高产量,另一方面则是提升品质。我们找到的抗赤霉病基因Fhb7,能抗赤霉病,分解呕吐毒素,客观上保障了国家粮食安全。”朴实的话语,诠释出这位科学家的拳拳爱国之心。
在实干中传承为师之道
在学校组织的座谈会上,有年轻教师问孔令让:“如何调动研究生的拼搏热情,凝聚团队人员共同奉献?”孔令让用“实干”两个字作答。他说,团队中老师们都没有“威严”,但学生们都很积极主动,无声的行动是最响亮的“命令”。老师们躬身亲为、言传身教,学生们也充满奋斗的激情与力量。
孔令让介绍,他们实验室主要研究三种草:偃麦草是小麦的近源植物,通过它研究小麦赤霉病;在粗山羊草利用方面,已经克隆出抗白粉病基因,育出了表现优异的小麦新品系;第三种草就是野生二粒小麦,这种草与山羊草天然杂交衍生出面包小麦。实验室的研究路线就是把三种草的优异基因导入小麦里,提高小麦产量,提升小麦品质,丰富我国基因种质资源。
做小麦杂交,尤其是远缘杂交研究,工作细致而繁重。偃麦草与小麦之间的染色体间难以自由交换,得到重组体比较艰难。比如,小麦与粗山羊草杂交需要通过幼胚拯救方能成苗,每年春季,团队在大田要做几千个杂交穗子,一个穗子上约30个小花,就是十几万枚小花;每朵小花里三枚花药都要去掉雄蕊,一枚一枚捏出来,能得到一两千个幼胚,然后再通过幼胚培养成苗。孔令让认为:“在田间选择材料感觉就像是在淘宝,每选到一份好材料还想看下一个,觉得后面还有更好的,总想着要选出最好的。”
“我们能把工作做到这么细致,团队里的每一个成员及一届届的学生付出了辛苦的努力!他们晚上10点前没离开过实验室。仅2016年以来,我们就分析了4.5万株小麦实验群体,完成了至少30万次DNA扩增。”孔令让说。
“孔老师总是我们实验室第一个来,最后一个走的人,为我们树立了踏实、勤奋、努力、严谨的标杆。”“每年做杂交,孔老师是一定要去的。他花粉过敏,但还是一边打喷嚏一边去雄授粉。”同学们告诉记者。
做年轻科研人员的良师益友
多年前,孔令让就获得过山东农业大学优秀教师、“研究生心目中的良师益友”“学生心目中的十大优秀教师”等荣誉称号。
如今在东北林业大学工作的张秀丽,是孔令让回国后带的第一个博士,完成了对Fhb7基因的初定位工作,文章发表在遗传育种学经典期刊《TAG》上。她告诉记者:“因为家境不好,孔老师给我的补助是同届博士中最多的;同届博士生中,我发的论文最好,找的工作也最满意。文章被接收时,孔老师给了我8000元奖励,在当时是一笔巨款。当然,我做实验发论文的过程也不顺利,导师给了我强大的信心和不遗余力的支持。”
吕忠璠现在读博士三年级,十分佩服孔老师的动手能力:“很多导师现在只做规划,不做实验,孔老师依然是动手的行家。有次我需要做个花粉母细胞的压片,因为没做过,很紧张。孔老师跟我一起取材,告诉我什么时期的小麦适合压片,一天中什么时间适合取材,回到实验室给我演示怎么染色,怎么用显微镜看等。”
读研究生时导师的引导和严格的训练,让孔令让受益颇深。“丁巨波、尹承佾、李晴祺三位导师,在我选择科研方向、科研路线和科研方法等方面影响很大。多年的科研工作,让我懂得了传承与创新同样重要,坚守与协作同样重要。从2008年我就可以要助手,但观察了四年,终于在2012年等到了王宏伟。他是生物技术出身,做了很多关键性工作,如今,学校已经破格聘任他为教授。孙思龙2019年初来学校工作,分析基因特别在行,为该项科研成果作出了独特的贡献,如今也是颇有竞争力的副教授人选。”王宏伟、孙思龙都是孔令让团队的年轻博士,同为《科学》期刊抗赤霉病论文第一作者。令孔令让骄傲的是,他不但取得了科研突破,也带起了一个富有战斗力的团队。
每年麦子收获的季节,只要能挤出时间,孔令让就天天蹲在试验田里。麦浪随风翻滚,叶片沙沙作响,对他来说,这就是世间最美的音乐。他“听得懂”小麦的声音,“摸得透”小麦的渴求,更在这种一身泥一身汗的劳作中,传承着为师之道。
作者:特约通讯员 翟荣惠
编辑:王骄