本刊記者|知一

劉耀光：雜交水稻“解碼者”

本刊記者|知一

三年來，以劉耀光為首的“水稻育性發(fā)育機理與基因工程”研究團隊，克隆了3個水稻細胞質(zhì)雄性不育的不育基因、2個恢復(fù)基因等，揭示相關(guān)分子機理，并在國際權(quán)威期刊發(fā)表一系列高水平研究論文，奠定了我國在植物育性研究的國際領(lǐng)先地位。這些研究成果能幫助育種工作更有策略。

水稻亞種間雜交雄性不育妨礙了水稻產(chǎn)量的進一步提升，本周《自然-通訊》發(fā)表的一項研究Genomic structural variationmediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice為了解其背后遺傳機制帶來了新的見解。論文的通訊記者正是華南農(nóng)業(yè)大學“水稻育性發(fā)育機理與基因工程研究團隊”的領(lǐng)頭人劉耀光。

為了讓育種工作更有策略

水稻是一種重要的糧食作物，進一步提高水稻產(chǎn)量對于世界糧食安全具有重大意義。一種解決方法是通過秈粳亞種間雜交，促進提高雜種優(yōu)勢——雜種優(yōu)于親本的遺傳現(xiàn)象。在雜交稻中，每一個親本都貢獻一個基因的等位基因給后代，兩個等位基因的互作影響該基因編碼的性狀。但是問題在于，由此形成的雜交種存在不同程度的不育。目前，人們還沒有完全弄清楚決定雜交種雄性不育的基因，也缺乏可以克服該問題的有效方法。

雜種不育是物種分化產(chǎn)生的一種生殖隔離機制。亞洲栽培稻（Oryza sativa L.）分為秈稻和粳稻2個亞種。秈稻和粳稻亞種間雜種具有強大的雜種優(yōu)勢，是水稻雜交育種的未來主攻方向。但秈粳雜種存在嚴重的雜種不育現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)實率下降，極大限制了秈粳雜種優(yōu)勢利用。因此，克隆控制秈粳雜種不育的基因并闡明其分子機理，在理論和生產(chǎn)實踐上均有重要的意義。Sc座位是控制秈粳雜種不育的一個主要遺傳座位，但其分子基礎(chǔ)尚不明確。

針對這一科學問題，劉耀光領(lǐng)銜的“水稻育性發(fā)育機理與基因工程研究團隊”經(jīng)過10多年的艱苦探索，最終克隆了Sc座位的目標基因。序列分析發(fā)現(xiàn)，秈稻和粳稻Sc等位基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變異。其中，粳型等位基因座Sc-j僅包含一個花粉發(fā)育必需基因，而秈型基因座Sc-i存在序列重組和大片段基因拷貝數(shù)重復(fù)；重復(fù)拷貝的數(shù)目越多，秈粳雜種不育程度越嚴重。進一步研究還發(fā)現(xiàn)秈粳雜種F1中Sc等位基因的遺傳互作會導(dǎo)致粳型Sc-j基因表達水平的大幅度下降，造成攜帶Sc-j的花粉選擇性敗育。該研究揭示了一種基于等位基因劑量效應(yīng)驅(qū)動的選擇性基因沉默即稱為等位抑制（allelic suppression）的新型雜種不育分子機制。該研究同時建立了一種高效的基于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)定點刪除部分基因拷貝，以打破雜種不親和性的技術(shù)方法。這一研究成果深化了人們對雜種不育分子遺傳機制的認識，為進一步利用水稻植物雜種優(yōu)勢奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

“以袁隆平為代表的中國科學家在雜交水稻培育方面做了很多工作，多年來應(yīng)用非常廣泛。但雜交水稻究竟為什么能育種，分子基礎(chǔ)是什么，這是我們的研究重點?！眲⒁庹f。以劉耀光為首的“水稻育性發(fā)育機理與基因工程研究團隊”三年來，團隊克隆了3個水稻細胞質(zhì)雄性不育的不育基因、2個恢復(fù)基因等，揭示相關(guān)分子機理，并在國際權(quán)威期刊發(fā)表一系列高水平研究論文，奠定我國在植物育性研究的國際領(lǐng)先地位。“這些研究成果能幫助育種工作更有策略。”

求學日本 盛名初成

劉耀光是恢復(fù)高考后第一批大學生，當時報考的是一所工科院校的建筑專業(yè)，沒被錄取，后來又進了華農(nóng)學農(nóng)科。在一些人看來學農(nóng)沒出路，不安心學習，可是劉耀光沒想太多，有書讀就行。畢業(yè)后的劉耀光到了湖南省長沙市農(nóng)業(yè)專科學校做了兩年的助教，一心向?qū)W的劉耀光1985年考取了赴日留學研究生。

留學期間，劉耀光先后在日本香川大學作物遺傳育種學、京都大學遺傳育種專業(yè)攻讀碩士、博士學位，1991年獲博士學位后，在日本三井生物技術(shù)研究所做博士后、研究員。11年的時光使劉耀光定下了“做什么都要做到最好”的人生目標。

劉耀光碩士畢業(yè)時，香川大學導(dǎo)師非常欣賞劉耀光的才華，希望他能夠留下來作自己的博士生，但是基于要做就做得最好的信念，劉耀光并沒有選擇安安份份地直升原校的博士生，而是考取了日本的重點大學----京都大學，師從國際著名的植物分子生物學家常脅恒一郎教授。

在京都大學這樣的一流院校里，劉耀光就像一條饑渴的魚，一頭扎進了知識的海洋。博士期間他開展了小麥染色體基因連鎖圖譜的研究。三年的時間里不僅完成了完成了博士學位，隨后圍繞著植物基因組這個主題，進行了新材料、新方法、新技術(shù)的開發(fā)研究工作，在超大片段植物核DNA提取法、溫度非對稱交互PCR（TAIL-PCR）技術(shù)、可轉(zhuǎn)化人工染色體（TAC）克隆載體和多基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)新技術(shù)以及植物重要基因的克隆與功能研究等方面取得了一系列具有國際領(lǐng)先水平的創(chuàng)新性成果，在《美國科學院報》（PNAS）、《The Plant Journal》等國際著名核心刊物上發(fā)表論文 30余篇、出版專著3部，獲發(fā)明專利1項。發(fā)表的論文被包括國際權(quán)威刊物Science在內(nèi)的數(shù)十種刊物引用800多次。很快，植物分子遺傳學和基因工程領(lǐng)域劉耀光盛名初成。

歸國學子走上了鐘愛一生的道路

在日本的求學和研究經(jīng)歷使劉耀光成為一名在國際上有一定知名度的植物分子生物學家，但作為一名中國人，在異國他鄉(xiāng)做出的成果再多似乎都是在為別人打工，所以他萌生了“要做自己的事業(yè)”的信念。在日本三井生物技術(shù)研究所工作期間，劉耀光的主要任務(wù)是開展模式植物擬南芥分子生物學的研究。他不滿足于此，而是針對中國南方是水稻的主產(chǎn)區(qū)的實際，利用一切機會，跟蹤水稻生物技術(shù)方面的研究進展，為回國后開展水稻分子生物學研究奠定了基礎(chǔ)。

一回國，劉耀光還沒有顧得上安排好夫人的工作和小孩的學業(yè)，就到了位于廣州的華南農(nóng)業(yè)大學報到，他渴望盡快全身心地投入緊張的研究工作。他說要與外國的同行競爭，與時間賽跑。他淵博的知識、活躍的思維、高超的試驗設(shè)計能力和技術(shù)以及忘我的拼搏精神，得到國內(nèi)同行和主管部門的尊重和信任。短短幾年時間共獲得國際合作、國家“863”、“973”計劃、國家轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)化、國家自然科學基金、省自然科學基金等各級課題資助。劉耀光瞄準基因工程在遺傳育種中應(yīng)用的基礎(chǔ)理論研究的難點課題，為解決可轉(zhuǎn)化人工染色體（TAC）和多基因組裝與轉(zhuǎn)化載體系統(tǒng)的創(chuàng)建、水稻基因的高效克隆、三系雜交稻選育中有重要應(yīng)用價值的雄性不育恢復(fù)基因及其他育性相關(guān)基因的定位和克隆、秈粳稻雜種不育基因的物理圖譜定位和分離、水稻分子育種技術(shù)等問題，開展了系統(tǒng)的研究。

他構(gòu)建了適用于單子葉植物、具有基因克隆及轉(zhuǎn)化雙重功能的載體（TAC）系統(tǒng)，并用于水稻基因的定位和分離。在載體改良、大片段基因組文庫構(gòu)建、恢復(fù)基因的分子標記和物理圖譜定位、水稻大片段DNA遺傳轉(zhuǎn)化等方面也取得顯著的進展。他還利用自己的技術(shù)優(yōu)勢，積極參加同行相關(guān)課題的研究，在小麥抗病基因的分離和克隆方面做了大量的工作。通過幾年努力，研究工作取得了重要進展，近年發(fā)表了多篇高質(zhì)量的研究論文，申請了兩項專利。在國內(nèi)的學術(shù)地位獲得了同行的認可，劉耀光實現(xiàn)了回國做自己事業(yè)的愿望。同時，也使華南農(nóng)業(yè)大學在植物分子生物學領(lǐng)域的整體研究水平大大提高。

由助教到院士 憑的就是愛好

由工科學校的落榜生到轉(zhuǎn)戰(zhàn)農(nóng)科，由助教到留學研究生，由盛名初成的植物分子生物學家到院士，劉耀光憑借的就是愛好。劉耀光說：“一個人熱愛某項事業(yè)并堅持做下去，就一定能夠成功?！?/p>

華南農(nóng)業(yè)大學的已故院士盧永根是劉耀光農(nóng)業(yè)科學研究的啟蒙老師，也是科研工作的引路人，對劉耀光最知根知底。盧院士這樣評價劉耀光，“這是一個追求科學、淡泊名利的人，在這樣一個浮躁不安的世界里，劉耀光沉得住氣，不驕不躁，他發(fā)表的文章，篇篇是精品?！?996年劉耀光回國的時候，學校的研究條件還不是很好。但是，劉耀光在與組織和領(lǐng)導(dǎo)談?wù)摶貒皇聲r，談得最多的是回來如何開展工作，從未向組織提出個人生活待遇要求，并且用自己節(jié)省的錢從日本帶回一些當時國內(nèi)沒有的開展研究急需的小型設(shè)備。所以，一回到學校，劉耀光的家庭和生活還沒來得及安排好，就一頭扎進研究室，沒日沒夜地干了起來。

劉耀光對自己要求很嚴，對學生要求也很嚴，一位學生說：“劉老師對我們學生太熟悉了，幾乎我們每一個學生實驗做到哪一步，數(shù)據(jù)準不準，還缺少什么，老師比我們自己還清楚。你說我們能馬虎么？”華農(nóng)王少奎教授說：“有時候晚上加班到10點準備回家時，還看到劉耀光老師的辦公室亮著燈。劉老師已經(jīng)取得那么高的學術(shù)成就了，還這么努力，我們又該怎樣呢？”。

一路行走，一路繁花

1997年度國家杰出青年基金資助獲得者；1999年入選廣東省“千百十工程”省級培養(yǎng)對象；2000年入選農(nóng)業(yè)部“神農(nóng)”計劃；2001年入選廣東省“千百十工程”國家級培養(yǎng)對象；2001年廣東省“千百十工程”先進團隊的學術(shù)帶頭人；2001年享受國務(wù)院政府特殊津貼；2002年12月被聘為教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授；2008年，劉耀光研究員帶領(lǐng)的課題組在《美國科學院報》發(fā)表論文，闡明了水稻秈粳雜種雄性不育及其親和性的分子基礎(chǔ)。這是國際上首次發(fā)表有關(guān)植物雜種雄性不育分子機制的論文； 2013年3月17日作為通訊作者在《Nature Genetics》在線發(fā)表論文，該論文是劉耀光課題組在闡明水稻胞臺(BT)型細胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)性分子機理后的又一重大研究成果；2017年3月24日在國際植物學知名刊物《Journal of Experimental Botany》 上在線發(fā)表了論文，揭示了水稻雌雄配子雙不育的分子機制……

劉耀光在“為了讓育種更有策略”的道路上前行，不曾停歇，留給后來人一路繁花。