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，中國人獲得的雜交染色體植物豌豆-玉米新品種經(jīng)過多年測定和分析，最終獲得了國家的認(rèn)可；同時這也表明中國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)在中國農(nóng)業(yè)部決定對兩個豌豆-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，但是通過對每條染色體的長臂、短臂、著絲點(diǎn)等的測量，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“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。

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；將高營養(yǎng)的作物與高產(chǎn)量的作物雜交，就可獲得高產(chǎn)、高營養(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多個新類型糧食作物。在農(nóng)業(yè)部最近授予的兩個豌豆-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)過營養(yǎng)成分測定，但是此前在陜西地區(qū)對另一個品系的亞麻-玉米的后代進(jìn)行生化測定和分析已表明，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，將會深刻影響農(nóng)業(yè)種業(yè)的發(fā)展。2014年3月下旬，在美國的《Science》和英國的《Nature》上，西方科學(xué)家發(fā)表了人工合成酵母菌3號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)的一個里程碑。

酵母菌是單細(xì)胞生物，是最低級的真核生物。朱培坤認(rèn)為，盡管這是人工合成的最低級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，比西方國家人工合成的酵母菌3號功能染色體早了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，中國農(nóng)業(yè)部已授予這2個豌豆-玉米新品種的品種權(quán)號分別為CNA20070520.2和CNA20080127.9。中國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)融合成一個細(xì)胞，然后對融合細(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。近緣雜交在同一個物種內(nèi)不同品種間的植物用花粉對柱頭授粉進(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)融合成一個細(xì)胞，然后對融合細(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，美國科學(xué)家Carlson首次獲得人類有史以來第一個植物體細(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。西方社會有一句諺語：上帝創(chuàng)造物種?？梢妱?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。