干思思

柑橘，是目前世界第一大類水果，也是我國種植面積最廣、產(chǎn)量最高的果樹之一。自古以來，圍繞柑橘流傳的各類詩文篇章不絕于耳。如今，市面上所見的各式各樣的橘、橙、柚還有檸檬等都屬于柑橘一族。為何柑橘家族能發(fā)展得如此龐大？種類如此繁多？

“關鍵還是它們特別能雜交。”華中農(nóng)業(yè)大學教授柴利軍介紹，通過研究發(fā)現(xiàn)，柑橘家族其實都來自于3個基本種——橘、柚、枸櫞，其他栽培種類都是它們相互雜交產(chǎn)生的后代。不過，這些后代們在外觀、口感、性狀等方面均表現(xiàn)出巨大的差異。比如琯溪蜜柚一顆籽也沒有，而沙田柚卻有很多;大部分柑橘不授粉也能正常結果，有些柚子卻只能人工授粉才能結果……背后的原因到底是什么？為了探清柑橘進化機制背后的秘密，柴利軍一做就是15年。

誰在控制柑橘“傳宗接代”

自然界中，絕大部分被子植物都是兩性花，即一朵花上既有雌蕊又有雄蕊，并且發(fā)育都正常。理論上，這樣的植物可以實現(xiàn)自交授粉產(chǎn)生后代，比如柑橘家族中寬皮柑橘就可以實現(xiàn)，但實際上這樣的植物屬于極少數(shù)。大部分兩性花植物自交授粉后，花粉管在柱頭或花柱中上部就會被抑制生長，無法正常產(chǎn)生后代，這種現(xiàn)象被稱為“自交不親和”。

“從植物進化角度來看，這種現(xiàn)象是有道理的，就跟人類禁止近親繁殖一樣，如果一個物種可以自交授粉，無疑加大了后代各類隱性遺傳病的概率，隨著環(huán)境變化逐步失去競爭力，最終被淘汰?！辈窭娊榻B，“植物也是很聰明的，為了保護后代在長期進化過程中不被淘汰就形成了這種機制，抑制自交授粉?！?/p>

柑橘中柚類多數(shù)表現(xiàn)為自交不親和，以沙田柚為例，就具有典型的自交不親和特性，自交坐果率僅0.3%，這就導致果農(nóng)在生產(chǎn)中需要配置酸柚做授粉樹或者每年春季都要爬到樹上給柚子人工授粉，費時費力，還十分危險?！八晕覀兿敫闱宄@個機制到底是什么東西在控制，為什么不能用自己的花粉授粉?！?/p>

前期，科學家們其實已經(jīng)突破了十字花科、茄科、薔薇科、車前科及罌粟科等物種自交不親和機制的奧妙，但在蕓香科柑橘屬植物領域仍是一片空白，究其原因還是柑橘漫長的生長周期導致。

俗話說，“桃三李四柑八年”。柑橘從種子種下到結出果實需要八九年的時間，極大限制了科學家的觀察研究，國內(nèi)外專注于這一領域的學者極少，柴利軍正是國內(nèi)較早研究柑橘自交不親和特性的學者之一。

2005年，剛從華中農(nóng)業(yè)大學本科畢業(yè)，考入本校園藝林學學院鄧秀新院士門下的柴利軍，第一次接觸到了柑橘自交不親和機制研究的課題。在他之前，課題組從來沒有人從事過相關研究，國內(nèi)外關于這一領域的研究報道也屈指可數(shù)，可借鑒的東西不多。為此，最初他只能借鑒其他物種的經(jīng)驗，通過反向遺傳學的方法，利用報道中提到的其他物種某個可以控制性狀的基因，以此來反向研究柑橘。在碩博連讀7年畢業(yè)后，柴利軍入職華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院果樹系，繼續(xù)相關事業(yè)，2014年，他申請的研究項目獲得了國家自然科學基金的資助，不過最終的結果卻不盡如人意。

“現(xiàn)在想起來確實非常感謝國家自然科學基金一直以來的支持，能夠允許試錯、允許失敗。那個項目其實就是一個探索型項目，雖然失敗了，卻讓我們意識到反向遺傳學的方法是行不通的，我們必須改變方向?！辈窭娊榻B道。

適逢2013年，導師鄧秀新院士團隊徐強教授首次繪制出了甜橙全基因組序列圖譜，開啟了柑橘的基因組時代，為國內(nèi)外同行研究蕓香科柑橘的特殊生物學性狀、功能基因組提供重要平臺。基于此，柴利軍徹底更換思路，從反向遺傳學改為了正向遺傳學，直接進行柑橘的遺傳群體研究。

這次，在龐大的柑橘家族中遴選研究對象時，柴利軍及其團隊將目標放在了典型的自交不親和物種——沙田柚上，其單胚的特點可以排除多胚對自交和雜交的干擾。經(jīng)過長達八九年的研究，研究團隊終于鎖定了一個關鍵基因，也就是控制柑橘自交不親和的決定因子——S-RNase蛋白。

“這個蛋白很特別，編碼該蛋白的基因具有花柱特異性表達、單一位點復等位基因和能夠特異性抑制自體花粉管生長這3個典型特征?！辈窭娊榻B，這一特殊的基因是導致大部分柑橘自交不親和的原因。解決了柑橘主要的自交不親和性狀之后，另一個特殊的現(xiàn)象也進入了他們的研究視野。與大部分柚類具有自交不親和性狀不同，寬皮柑橘及其雜交種普遍存在自交親和的特性，這又是為何？

“其實就是基因突變導致的?！痹跈z測自交親和寬皮柑橘材料時，柴利軍團隊發(fā)現(xiàn)了其S-RNase基因ORF第442位有一個腺嘌呤（A）缺失，從而導致移碼突變和提前終止，形成了無功能的Sm-RNase蛋白。最后，通過擴大樣本檢測量，他們明確了凡是含有突變的Sm-RNase都具有自交親和性狀。

找到了控制柑橘生殖方式的密碼之后，柴利軍帶領團隊進一步開發(fā)出了基于Sm-RNase的分子標記，建立了一個柑橘屬Sm-RNase基因型信息庫，為早期開展分子標記輔助選擇自交親和的柑橘資源提供了方法。并且，在豐富的柑橘種質(zhì)資源優(yōu)勢之上，他們還進一步利用原始、野生及栽培柑橘資源，構建出柑橘由自交不親和性向自交親和性轉(zhuǎn)變的演化模式圖，推測出突變的Sm-RNase基因早期發(fā)生在寬皮柑橘中，伴隨著柑橘種間相互雜交，進而滲入到其他柑橘品種中，并利用寬皮柑橘獨特的無融合生殖特性逐漸將Sm-RNase基因在這些柑橘雜交種中固定，最終形成現(xiàn)有栽培柑橘多數(shù)表現(xiàn)為自交親和特性的局面。

“掌握了這把生殖基因密鑰，相當于擁有‘上帝之眼。柑橘正常結果要8年時間，但我們在苗期就能鑒定出是否屬于自交親和，它能跟哪些親本配種。”柴利軍介紹，這對柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言意義重大。

甘坐科研“冷板凳”

2020年2月13日，柴利軍團隊這項歷時15年的研究成果在國際權威期刊《自然·植物》（Nature Plants）在線發(fā)表。不僅如此，在發(fā)表的同時，《自然·植物》雜志特邀東京大學藤井聰太（Sota Fujii）和高山誠二（Seiji Takayama）兩位專家對相關內(nèi)容配發(fā)了評論性文章。評論指出，這項研究在植物交配系統(tǒng)進化起源研究史中具有里程碑式的意義。

柑橘歷史悠久，我國是柑橘起源中心之一，也是野生及栽培柑橘最豐富的國家。柴利軍團隊的研究不僅在基礎科研層面，首次揭秘了柑橘進化及繁殖機制，填補了蕓香科柑橘屬植物自交不親和機制的空白歷史，同時在產(chǎn)業(yè)層面，也為生產(chǎn)和育種選配合適授粉親本及通過遺傳改良培育自交親和新種質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)。

柴利軍介紹，實際生產(chǎn)過程中，一方面非常需要自交親和性狀品種，可以有效降低人工授粉及栽培授粉樹產(chǎn)生的人工、時間、費用等成本;另一方面，現(xiàn)在的消費者大多不喜歡有籽水果，而自交親和品種結果后會產(chǎn)生種子。而柑橘家族中，琯溪蜜柚除了具有自交不親和性狀外就兼具單性結實的本領，在沒有授粉的情況下可以生成無籽果實，漳河蜜柚、晚白柚和水晶柚同樣具有此優(yōu)點。

“如果能將自交不親和與單性結實兩個性狀相結合，就是最理想的狀態(tài)?！辈窭娬f道，這樣一來可以同時滿足生產(chǎn)的實際需求及果實的品質(zhì)，真正實現(xiàn)不需要人工授粉就可以產(chǎn)生無籽的果實，有助于促進柑橘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在研究過程中，他們以柚類為主要研究對象，鑒定到9個高度多態(tài)性的S-RNase等位基因，并檢測收集的394份柚類自然群體，獲得其中77%的S基因型。

“擁有了這些相當于建立了S基因型的信息庫?！辈窭娊榻B。在此之前，人們?yōu)楦涕偌易迨诜垭s交時基本依靠感覺，盲目進行配對，如果碰到兩個相同S基因型的品種，即使配對也無法產(chǎn)生雜種子代，但現(xiàn)在不一樣了。“因為有了S基因型信息庫，我們就成了科學‘紅娘，到底合不合適，能不能做雜交，我們都一清二楚?！辈窭娬f道。

作為當今世界也是我國第一大水果產(chǎn)業(yè)，柑橘產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位。研要為產(chǎn)業(yè)服務，自踏入柑橘研究的第一天起，柴利軍就始終堅守著這一信念。

2021年8月18日，國家自然科學基金委公布了2021年集中接收期項目評審結果，柴利軍的名字赫然在列，他成為年度國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目獲得者。在相關項目支撐下，他將帶領團隊繼續(xù)進行柑橘自交不親和反應互作網(wǎng)絡構建，揭示柑橘自交不親和分子基礎，助力柑橘育種和生產(chǎn)效率提升。值得一提的是，評審結束之后柴利軍才聽說，他的匯報給評委老師們留下了深刻的印象——十余年研究生涯只做一件事，現(xiàn)在像他這樣甘坐科研“冷板凳”的人太少了。

“提到這里，我真的非常感謝我的導師鄧秀新院士，一直全力支持我們這項研究。花了那么多人力、物力、財力，其間的十幾年時間里都沒有好的結果，換在其他單位、其他團隊，可能早就堅持不下去或者面臨考核淘汰了?！辈窭姼袊@，“只有鄧老師一直堅定地支持我們，他說這個領域全世界都沒有人做，只要我們沉下心來一頭扎進去，一旦突破了就是這個領域的第一人。正是因為他一直以來的支持給了我莫大的鼓勵，讓我下定決心無論如何艱難也要做下去?！?/p>

柑橘研究的確很難，動輒十幾年的苦心鉆研，還沒有任何結果，一般人可能根本不敢想象，就連柴利軍自己也沒想到過他能把這塊“硬骨頭”啃下來，并且還能在《自然》（Nature）子刊上發(fā)表成果，這是對他和團隊多年堅持最好的回報?！翱蒲泻芏鄷r候就是不可預期的，只是不能所有人都追求短平快，總得有人來啃‘硬骨頭。我只是覺得一步一步穩(wěn)扎穩(wěn)打，最終的結果應該是好的吧，就看我們?nèi)绾稳Υ??！辈窭娬f道。

認定一個目標就奮力前行，也許正是骨子里帶出來的這份“軸”才成就了柴利軍與柑橘的不解之緣。

出生于陜西最北端——榆林府谷縣一個小山村——柴家墕村的柴利軍，童年記憶中總是充滿了黃土高原的風沙。土地貧瘠、溝壑縱橫，這樣的地方離城市與夢想太過遙遠。大字不識的父母沒有教過柴利軍任何人生秘訣，只告訴他一句話——要想跳出農(nóng)門，必須去讀書。他將這句話深深印在了心里，哪怕小學開始就得住校，每周獨自走幾十里路回一趟家也從沒有想過放棄。因為心中承載著讀書、考大學的目標，所有的艱難困苦對于柴利軍而言都可以忍受。2001年高考，十幾年的求學等待終于迎來花開，他順利被華中農(nóng)業(yè)大學園藝系錄取。

從沒有走出過陜西的柴利軍，此前從未聽說過華中農(nóng)業(yè)大學的名字，他的第一志愿其實是西安交通大學，但并沒有關系，只要有大學上就行了。柴利軍非常珍惜這份來之不易的求學機會，進了大學后仍然一刻不敢放松，每天刻苦學習、鉆研。大二就跟著老師做本科畢業(yè)論文，并下定了決心一定要考研。

“當時我們學校最出名的教授就是鄧秀新教授，那時他剛被評為‘長江學者，我就想一定要考上鄧老師的研究生?！辈窭娀貞浀?。有的人憑借天賦出人頭地，有的人則憑借一腔孤勇披荊斬棘。2005年研究生初試過后，柴利軍的分數(shù)并不靠前，但在復試過程中，也許是被他堅定的目標及吃苦耐勞的品質(zhì)所打動，鄧秀新直接將他錄取。

之后，也許是冥冥中自有天意，柴利軍又被分到了沒有任何人嘗試過的柑橘自交不親和研究領域。小時候，父母的一句話讓他苦讀十幾年考上了大學;后來，考研的決心又讓他成功進入了鄧秀新教授的團隊;現(xiàn)在，柑橘則成了柴利軍終生奮斗的科研目標，哪怕“冷板凳”一坐就是15年，亦無怨無悔。

讓科研精神代代相傳

一篇論文，一個突破性成果的背后，到底包含了哪些因素？于柴利軍而言，個人的堅持的確難能可貴，但更重要的還有團隊的力量，是幾代人的科研精神激勵著他走到了今天。

最初接觸柑橘自交不親和機制研究時，柴利軍只是一個剛考上碩士的研究生，國內(nèi)外查不到相關文獻，導師也沒有這一領域的積累，但卻給了他極大的自由和包容，鼓勵他去國際上尋找當今世界研究自交不親和領域的專家，誰做得最好就去聯(lián)系誰，由課題組出資送他出國學習。

“后來我找到了英國皇家科學院院士英國伯明翰大學維羅妮卡·艾爾莎·富蘭克林-湯（Vernonica Elsa Franklin-Tong）教授，她在罌粟科虞美人自交不親和領域研究多年，是這個領域的頂級專家。當時初生牛犢不怕虎，就直接給她寫了封信，想過去學習，沒想到就被接收了?！辈窭娀貞?，“鄧老師聽說后非常高興，課題組全力支持，資助我出國學習一年，真的非常難得?！?/p>

柴利軍也沒有辜負這份來之不易的學習機會，從沒出國遠行的年輕人，拎著一個行李箱就跑去了英國。而且落地時間正好趕上學校休息日，沒有任何人對接，他就一個人完成了飛機、大巴、計程車幾次輾轉(zhuǎn)，再按照郵件留下的一封信找到了宿舍，利用郵件提供的密碼打開門，安頓下來。兩天后的工作日，當他出現(xiàn)在富蘭克林·湯教授面前時，教授也被嚇了一跳，完全沒想到他這么快就自己過來了。

之后的一年，富蘭克林-湯教授更是被這個中國來的年輕人深深打動了。每天早出晚歸、三點一線，幫助她完成了兩個大項目，由此她對中國人充滿了好感。“外國導師每一次對其他學生說的都是‘你們一定要努力、要投入，唯獨對我，每次說得最多的一句話就是要好好休息?！辈窭娊榻B，富蘭克林-湯教授一輩子都在跟虞美人自交不親和打交道，從她那里柴利軍學到非常多寶貴的經(jīng)驗，并借鑒虞美人自交不親和研究方法，回國后在柑橘自交不親和研究過程中，基于多年生木本植物難以開展候選基因活體功能驗證，建立了花粉離體培養(yǎng)不親和體系，有效彌補了柑橘8年才能開花結果進行活體驗證的困難。

時間，是柑橘領域自古以來最難攻克的命題。

從2005年到2020年，在研究柑橘自交不親和的15年間，柴利軍也從學生的身份轉(zhuǎn)變成為導師。畢業(yè)那年，仍然是鄧秀新教授全力支持留下了他?！班嚴蠋熣f雖然這項工作做了7年還沒有結果，但還是值得堅持并且必須要做的一件事?！辈粌H如此，為了支持他的工作，鄧秀新教授還將當年從南京農(nóng)業(yè)大學保送他門下第一名的學生梁梅，交給了柴利軍來帶。

接下來又是兩年多不知未來前景的日夜鉆研，仍然沒有取得結果，碩士畢業(yè)面臨轉(zhuǎn)博的梁梅開始打起了退堂鼓。同學中或多或少都已取得成績，只有她還在原地，更不知道未來方向……如同當年的鄧秀新教授一樣，這一次，柴利軍接過了充當“定心丸”的重擔，堅定地為學生指引方向，“項目已到了最后關頭，馬上就要到了撥開云霧見月明的時候了”。

重新樹立目標的梁梅讓柴利軍深受震動?！八钠磩攀俏乙娺^的第一人，現(xiàn)在已經(jīng)成為我們實驗室的標桿了，同時也是我們《自然·植物》（Nature Plants）論文的第一作者?！辈窭娬f，那篇論文成果中還涉及了生物信息學，但整個課題組都沒有相關經(jīng)驗，后來他為梁梅聯(lián)系到了中國科學家昆明植物所一個研究信息學的同學。沒想到電話溝通完不到一周，梁梅就自己一個人跑到那邊安頓好向他報告了，之后更是用了不到3個月時間，就徹底將信息學的難點攻克。

“梁梅博士畢業(yè)后去了美國一個實驗室從事博士后研究，當時還有一點遺憾。但后來在一次講座中碰到她的外國導師，他對梁梅贊不絕口，說我給她培養(yǎng)了一名好學生，我就覺得很值得?！辈窭娬f，“每代人都有每代人的使命，科研工作是系統(tǒng)工程，在每一個階段都需要有人去傳承，因此培養(yǎng)人才也是我們的重要任務。我希望從我們實驗室、我們學校走出去的每一個人都能成為頂梁柱，撐起新時代的脊梁?！?/p>

如今，柴利軍所在的實驗室又出現(xiàn)了一批新的人才，由在讀博士生胡健兵為骨干的團隊成員取得了柑橘自交不親和調(diào)控機制的新進展，不久前發(fā)布在國際期刊《園藝研究》（Horticulture Research）雜志上。

找到柑橘自交不親和關鍵因子只是第一步，后面還需要繼續(xù)研究背后的調(diào)控機制及針對性開展的產(chǎn)業(yè)手段。“我們相信未來還會有更多、更好的成果，有人堅持下去就有希望。”柴利軍說。

（責編：蘇寒山）