7月5日，生命科學(xué)學(xué)院黃學(xué)輝教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》發(fā)表論文《通過(guò)混血雜交群體的組學(xué)研究揭示水稻性狀的遺傳構(gòu)架》（Genomic investigation of 18,421 lines reveals the genetic architecture of rice）。該研究創(chuàng)制了大規(guī)模的水稻“混血雜交”群體，開(kāi)創(chuàng)了一系列遺傳學(xué)大數(shù)據(jù)分析新方法，大幅提升了農(nóng)藝性狀遺傳解析的效率，為水稻新品種的設(shè)計(jì)培育提供了基因信息和理論支持。

主要完成人，左起雍開(kāi)成、魏鑫、黃學(xué)輝、劉杰、張綺、陳蒙嬌

從破解難題的決心開(kāi)始

各類(lèi)復(fù)雜農(nóng)藝性狀由哪些基因決定、如何高效解析、基因之間有何聯(lián)系，一直以來(lái)都是水稻等作物遺傳研究的基本問(wèn)題，也是實(shí)現(xiàn)水稻智能化育種的重要理論基礎(chǔ)。2017年初，生命科學(xué)學(xué)院組建植物數(shù)量遺傳學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，聚焦國(guó)家重大戰(zhàn)略目標(biāo)，錨定該項(xiàng)研究課題，以“十年磨一劍”的堅(jiān)定決心和頑強(qiáng)意志，只爭(zhēng)朝夕、埋頭苦干。在八年的研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)攻克了一個(gè)又一個(gè)難題，構(gòu)建了縝密而巧妙的研究思路，提前設(shè)計(jì)研究過(guò)程每個(gè)階段的詳細(xì)“圖紙”；歷經(jīng)漫長(zhǎng)而艱辛的群體構(gòu)建之路，創(chuàng)制了研究所需的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行了基因組和表型組的測(cè)定；摸索出精細(xì)且具有創(chuàng)新性的分析方法，挖掘隱藏在大數(shù)據(jù)之下的重要基因和遺傳學(xué)規(guī)律；最終取得突破性研究成果。

16個(gè)親本的基因組多樣性

持續(xù)八年的田間奮斗

水稻材料多，田間實(shí)操易出錯(cuò)。在每年兩次的播種、插秧季，魏鑫教授帶領(lǐng)華樺、張綺、雍開(kāi)成等團(tuán)隊(duì)師生勤勤懇懇地泡在水田里，高溫天下田插秧、臺(tái)風(fēng)暴雨天搶收種子，都是司空見(jiàn)慣的事兒。群體不同材料之間的生育期差異大，收獲時(shí)間要持續(xù)兩個(gè)月之久。每年10月，在奉賢剛收完幾萬(wàn)份植株的種子，團(tuán)隊(duì)師生馬不停蹄地整理種子，趕在11月初運(yùn)往海南崖州播種；來(lái)年3月底，再赴崖州收種、運(yùn)回上海，繼續(xù)奮戰(zhàn)、整理種子，努力趕上5月中旬在奉賢的新一輪播種。

長(zhǎng)達(dá)八年的水稻田間實(shí)驗(yàn)

持續(xù)多年的水稻群體構(gòu)建終于完成，而緊接著的便是持續(xù)兩年多的大規(guī)模性狀調(diào)查、大數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于材料眾多，時(shí)間緊任務(wù)重，負(fù)責(zé)性狀調(diào)查的師生大部分時(shí)間都吃住在田間地頭。調(diào)查高峰期需要百余人同時(shí)操作，找不到足夠多的田間熟練工，課題組師生全員上崗，每天天不亮就下田、天黑才收工，風(fēng)雨無(wú)阻地在田間勞作。

發(fā)揮交叉融合的協(xié)同功效

這項(xiàng)研究涉及農(nóng)學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。多學(xué)科的交叉融合為研究的順利推進(jìn)注入了重要的創(chuàng)新力量，更推動(dòng)了優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新資源的跨學(xué)科聚攏功效。植物數(shù)量遺傳學(xué)團(tuán)隊(duì)中既有作物遺傳育種和分子生物學(xué)方向的研究者，還有精通生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究者，他們?cè)诔浞掷斫馄渌I(lǐng)域研究方法、技術(shù)和思路的基礎(chǔ)上，彼此間高效交流、互動(dòng)、分工，形成一股合力，不僅聯(lián)合培養(yǎng)了各有所長(zhǎng)的研究生隊(duì)伍，更構(gòu)建了一條高效完整的研究鏈條。

團(tuán)隊(duì)師生開(kāi)發(fā)出高通量技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了快速精準(zhǔn)的DNA分型

研究所涉DNA建庫(kù)測(cè)序費(fèi)用高昂，課題組教師王勤、劉杰、陳素卉利用生物化學(xué)方法從零開(kāi)始建立體系，用質(zhì)粒表達(dá)蛋白純化出所需要的酶，并與博士研究生范炯炯在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建DNA測(cè)序文庫(kù)，摸索出高通量、低成本的技術(shù)方案，大大節(jié)約了科研經(jīng)費(fèi)。該研究產(chǎn)生了大規(guī)模的生物學(xué)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)在分析中頻頻遭遇新難題，魏鑫教授、邱杰副教授和博士研究生陳蒙嬌不輕言放棄，查閱文獻(xiàn)、請(qǐng)教專(zhuān)家、嘗試新老方法，在一遍遍的討論中尋覓靈感，在一遍遍寫(xiě)代碼、跑數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的迭代中完善方案，最終啃下硬骨頭，取得了突破性進(jìn)展。針對(duì)各類(lèi)水稻育種性狀，該研究鑒定到了1207個(gè)基因位點(diǎn)，每個(gè)性狀平均可以檢測(cè)出27.5個(gè)基因位點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)解析了水稻基因的遺傳互作網(wǎng)絡(luò)。較以往工作，這項(xiàng)研究大幅提升了遺傳定位的功效和分辨率，也大大加深了對(duì)水稻育種性狀形成的了解。

團(tuán)隊(duì)師生開(kāi)展生物信息學(xué)研究，成功繪制了水稻基因網(wǎng)絡(luò)圖

打造創(chuàng)新、協(xié)作、融通的科研氛圍

植物數(shù)量遺傳學(xué)團(tuán)隊(duì)建立之初，辦公室和實(shí)驗(yàn)室還在裝修，團(tuán)隊(duì)就借用了學(xué)院臨時(shí)辦公室和楊仲南教授的實(shí)驗(yàn)室，爭(zhēng)分奪秒地開(kāi)啟科研工作；水稻種植條件不足、研究生人員不夠，朱駿教授不但主動(dòng)提供育秧盆，還多次帶領(lǐng)十幾名學(xué)生幫忙種植水稻；種在奉賢校區(qū)的水稻材料需鑒定表型，董彥君教授和趙國(guó)超副教授毫不猶豫地拿出田塊支援，張輝教授更是帶領(lǐng)研究生挑起調(diào)查性狀的重?fù)?dān)；大量水稻種子的表型需要考察，但人工調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)又不統(tǒng)一，信機(jī)學(xué)院馬燕教授指導(dǎo)學(xué)生量身定制了一套人工智能方法，實(shí)現(xiàn)了快速精準(zhǔn)的圖像識(shí)別和表型數(shù)據(jù)采集。在校院各部門(mén)的通力協(xié)作下，研究得以順利推進(jìn)，并最終取得研究的重大突破。

探索科教融匯的育人模式

團(tuán)隊(duì)深度推進(jìn)科教融匯，探索跨學(xué)科背景下培養(yǎng)新型高水平專(zhuān)業(yè)人才的新路徑、新方法，培養(yǎng)造就了一批未來(lái)的科研創(chuàng)新人才。在八年的研究過(guò)程中，先后有幾十名本科生參與了不同階段的不同環(huán)節(jié)。這段特別的經(jīng)歷堅(jiān)定了學(xué)生們矢志創(chuàng)新的理想信念，大部分參加研究的本科生后續(xù)進(jìn)入了中國(guó)科學(xué)院、浙大、北大等院校繼續(xù)研究生學(xué)業(yè)。其中，本科生王樂(lè)琦、朱旻參與研發(fā)了水稻表型測(cè)量的自動(dòng)化平臺(tái)，在2023年中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得全國(guó)銅獎(jiǎng)、上海賽區(qū)金獎(jiǎng)；本科生郜姍參與了田間作業(yè)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，其后續(xù)研究獲得了2023年全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃青年科學(xué)家專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家杰青項(xiàng)目、國(guó)家優(yōu)青項(xiàng)目及上海市植物分子科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市植物種質(zhì)資源工程技術(shù)研究中心、上海市植物種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

（供稿：生命科學(xué)學(xué)院  攝影：宣傳部）