賴錦盛在玉米地進(jìn)行研究工作。
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糧安天下，種業(yè)為“芯”。種業(yè)作為農(nóng)業(yè)的“芯片”，對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。
玉米是中國(guó)第一大糧食作物，年產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量約四成。多年來(lái)，國(guó)家玉米改良中心主任、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物基因組與生物信息學(xué)系教授賴錦盛深耕種業(yè)研究，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)面向玉米這個(gè)重要農(nóng)作物開(kāi)展研究，在基因測(cè)序、基因編輯和生物育種等領(lǐng)域取得了多個(gè)“從零到一”的突破。
補(bǔ)全基因組測(cè)序“空白”
本世紀(jì)初，被譽(yù)為生命科學(xué)“登月計(jì)劃”的人類基因組草圖公布，點(diǎn)燃了基因組學(xué)的“第一把火”。隨后，玉米等多個(gè)物種的參考基因組序列草圖相繼公布。然而，由于基因組的高度復(fù)雜性，全球科研人員一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物的全基因組探索。
科學(xué)家為什么要探索玉米等物種的基因組？賴錦盛介紹，種子在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈處于頂端位置，也是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中最能體現(xiàn)科技含量的領(lǐng)域。基因組測(cè)序作為重要的基礎(chǔ)工作，能夠?yàn)樽魑镞z傳改良提供豐富的遺傳信息，推動(dòng)種子培育技術(shù)創(chuàng)新。
1996年，賴錦盛赴美國(guó)新澤西州立大學(xué)從事博士后工作，師從美國(guó)科學(xué)院院士喬基姆·梅辛教授。
“他是全球分子生物學(xué)和基因組測(cè)序的奠基人物，在美國(guó)玉米基因組測(cè)序和其他物種基因組學(xué)研究領(lǐng)域做了大量開(kāi)創(chuàng)性工作。”在導(dǎo)師的啟發(fā)下，賴錦盛回國(guó)后繼續(xù)開(kāi)展玉米基因組學(xué)研究。
2006年，賴錦盛來(lái)到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)任教。2009年，他主持的“玉米基因組學(xué)與分子育種”課題開(kāi)啟；今年6月，賴錦盛團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《自然·遺傳學(xué)》上發(fā)表了論文《玉米全基因組所有染色體端粒到端粒完整無(wú)間隙組裝結(jié)果》，實(shí)現(xiàn)了在所有復(fù)雜動(dòng)植物基因組中首次真正意義上的全基因組完整無(wú)間隙組裝。
這篇論文被譽(yù)為基因組組裝和基因組學(xué)研究領(lǐng)域“里程碑式”突破，研究成果補(bǔ)全了國(guó)際玉米基因組草圖自2009年公布以來(lái)尚存的幾萬(wàn)個(gè)“空白”區(qū)域，攻克了復(fù)雜動(dòng)植物基因組組裝的“最后一道難題”。
“登上月球之前，人類總有一個(gè)‘月球夢(mèng)’，玉米基因組測(cè)序就是我的‘月球夢(mèng)’，這是一個(gè)科研人員本能的好奇�！辟囧\盛說(shuō)。
2019年，喬基姆·梅辛猝然離世，未能見(jiàn)到這項(xiàng)成果面世，這讓賴錦盛頗為遺憾。為此，他在論文的致謝部分特別標(biāo)注：謹(jǐn)以這項(xiàng)研究成果紀(jì)念導(dǎo)師。
突破基因編輯“卡脖子”難題
作為生物育種領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，基因編輯技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。賴錦盛說(shuō)，用“基因剪刀”切割不利的基因，去除不良性狀——這是基因編輯技術(shù)的一項(xiàng)基本應(yīng)用。
賴錦盛介紹，所謂“基因剪刀”，其實(shí)是能夠精準(zhǔn)剪切生物體遺傳物質(zhì)DNA的“基因編輯核酸酶Cas蛋白”，通過(guò)對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行靶向剪切，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物基因組的精準(zhǔn)微調(diào)，從而加速培養(yǎng)出具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等優(yōu)秀農(nóng)藝性狀的作物。
2012年，法國(guó)科學(xué)家埃瑪紐埃爾·沙爾龐捷和美國(guó)科學(xué)家珍妮弗·杜德納共同開(kāi)發(fā)了Cas9基因編輯技術(shù)，并于2020年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨后，科學(xué)家進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了Cas12a等基因編輯技術(shù)。但長(zhǎng)期以來(lái)，這些基因編輯技術(shù)的核心專利，也就是“編輯器”，被少數(shù)國(guó)家壟斷。為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控”的目標(biāo)，2015年起，賴錦盛率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)投入“基因剪刀”的研發(fā)工作。
賴錦盛將研發(fā)“基因剪刀”的過(guò)程概括為“兩步走”：先是在數(shù)量眾多的微生物宏基因組中尋找有潛力切割基因的“剪刀”，然后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證哪一把“剪刀”能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)切割。
“研發(fā)工作無(wú)異于‘大海撈針’�！辟囧\盛說(shuō)，早期研究基因組學(xué)的經(jīng)歷幫助他在基因組大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)上取得突破。2021年，賴錦盛團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出兩把屬于中國(guó)的“基因剪刀”——“基因編輯新型底盤(pán)核酸酶Cas12i和Cas12j”，彌補(bǔ)了中國(guó)在基因編輯底盤(pán)工具領(lǐng)域的技術(shù)空白，打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。
目前，Cas12i和Cas12j已獲得中國(guó)內(nèi)地、中國(guó)香港地區(qū)專利授權(quán)和日本專利授權(quán)，但賴錦盛仍不滿足：“Cas12i和Cas12j的編輯效率還有一定提升空間，對(duì)應(yīng)的衍生技術(shù)體系和應(yīng)用生態(tài)也尚待完善。此外，還需要研發(fā)更多新的基因編輯底盤(pán)工具，以滿足農(nóng)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域基因編輯多樣性和個(gè)性化的需求。”他說(shuō)。
“定制”優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因作物
今年中央一號(hào)文件提出，要加快玉米大豆生物育種產(chǎn)業(yè)化步伐，有序擴(kuò)大試點(diǎn)范圍，規(guī)范種植管理。
如何實(shí)現(xiàn)育種產(chǎn)業(yè)化？賴錦盛將科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化看作“相輔相成”的關(guān)系：“如果生物育種產(chǎn)業(yè)化跟不上，原始創(chuàng)新就會(huì)嚴(yán)重受阻；一旦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步入‘快車(chē)道’，不僅能借由市場(chǎng)檢驗(yàn)技術(shù)成果，還能獲得更多經(jīng)費(fèi)來(lái)反哺科研，進(jìn)一步提升我國(guó)種業(yè)研發(fā)能力和水平。”
自2021年轉(zhuǎn)基因玉米大豆產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái)，賴錦盛就持續(xù)關(guān)注生物育種產(chǎn)業(yè)化工作，他也通過(guò)研發(fā)轉(zhuǎn)基因玉米，身體力行地為這項(xiàng)工作提供技術(shù)支撐。
“我和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的抗蟲(chóng)玉米ND207轉(zhuǎn)化體、耐除草劑玉米CC-2轉(zhuǎn)化體已經(jīng)相繼獲批國(guó)家生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū)，在產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)種植中，已選育出21個(gè)玉米新品種，其中2個(gè)成為我國(guó)首批轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)推廣種植品種。”賴錦盛說(shuō)。
賴錦盛介紹，雖然中國(guó)生物育種已取得一定進(jìn)展，但目前獲批安全證書(shū)的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品目標(biāo)性狀相對(duì)單一，集中在抗蟲(chóng)和耐除草劑，而產(chǎn)業(yè)化較早的美國(guó)等國(guó)家的產(chǎn)品還有抗旱、高產(chǎn)等多種類型。
“未來(lái)幾年，轉(zhuǎn)基因、基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化大有可為。我和團(tuán)隊(duì)會(huì)面向產(chǎn)業(yè)需求，針對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸繼續(xù)攻克科技難關(guān)，以基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究為源頭供給，持續(xù)推動(dòng)玉米等作物生物育種產(chǎn)品的更新迭代�！辟囧\盛說(shuō)。
中國(guó)科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心與本報(bào)合作推出