中國科學(xué)院院士、植物生理學(xué)家朱玉賢——持續(xù)探索伸長棉纖維的密碼（講述·弘揚科學(xué)家精神）
2023-07-19 16:49:21
來源：人民日報
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2023年4月，朱玉賢院士在武漢大學(xué)高等研究院實驗室做實驗。王郭驥攝
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朱玉賢：1955年生，中國科學(xué)院院士?，F(xiàn)任武漢大學(xué)高等研究院院長、北京大學(xué)教授。主要從事陸地棉纖維發(fā)育早期的功能基因組、轉(zhuǎn)錄組及雷蒙德氏棉、亞洲棉功能基因組的研究，探索纖維突起、伸長的分子機(jī)制及調(diào)控規(guī)律。通過長期研究，他帶領(lǐng)團(tuán)隊成功實現(xiàn)了“讓中國的棉花纖維進(jìn)一步伸長了3毫米”，推動我國棉花研究達(dá)到世界領(lǐng)先水平。研究成果曾獲國家自然科學(xué)獎二等獎、教育部自然科學(xué)獎一等獎等。
朱玉賢的辦公桌上最顯眼的裝飾，是一束被扎成鮮花模樣的棉花，白色的棉桃、咖色的枝條束在一起，別有一番雅趣……“這是學(xué)生送給我的生日禮物，我非常喜歡。”朱玉賢說。從上世紀(jì)90年代開始，他的科研生涯就與棉花緊緊連接在了一起。
棉纖維是影響棉花品質(zhì)的重要因素，目前我國普遍種植的棉花是陸地棉和少量海島棉。陸地棉纖維一般長度為25—30毫米，海島棉纖維一般長度在35毫米以上。“海島棉纖維更長，品質(zhì)更高，但它對氣候要求高，產(chǎn)量較低，一株海島棉的棉纖維產(chǎn)量只有陸地棉的60%—70%，總體經(jīng)濟(jì)效益低，因此農(nóng)民大多種陸地棉。”朱玉賢說。高產(chǎn)棉花不優(yōu)質(zhì)、優(yōu)質(zhì)棉花不高產(chǎn)，從1998年起，朱玉賢承擔(dān)起“國家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項”課題，通過10多年不懈探索，終于研究出“讓中國的棉花纖維進(jìn)一步伸長了3毫米”的重要成果?，F(xiàn)在，他正帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)一步探索棉花基因組的奧秘，通過扎實的基礎(chǔ)研究夯實棉花良種選育的根基。
立志把棉花作為堅守一生的研究方向
為何研究棉花？朱玉賢說：“因為我是農(nóng)民的兒子。”朱玉賢出生于浙江富陽的一個農(nóng)家。1978年參加高考，他以優(yōu)異的成績被浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)錄取，大學(xué)畢業(yè)后留校任教。上世紀(jì)80年代中期起，他出國留學(xué)深造，并于1991年回國，在北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院任教。“我對故土有種割不斷的感情。”朱玉賢說，當(dāng)時的生活條件雖不盡如人意，但他還是堅持留了下來，“國家正在快速發(fā)展，各方面都需要人才。”
1996年，國家啟動“優(yōu)質(zhì)棉工程”。朱玉賢在圖書館泡了兩周，查閱大量資料后，他推測棉纖維伸長可能與植物激素有關(guān)。“植物激素研究是我博士論文里面的關(guān)鍵內(nèi)容，算是在這個領(lǐng)域有點基礎(chǔ)。”朱玉賢笑著說。于是，他申請了“國家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項”課題資助。“我的一位老師曾告訴我，一生專注一件事，可能成功也可能失敗；但如果你朝三暮四，想做的事情太多，那你大概率什么都做不好。所以我一直在尋找一個足以讓我研究一輩子的物種。”朱玉賢說，棉花就是他尋覓已久的方向。“選擇研究方向，要把自己的能力和國家的重大需求結(jié)合起來。”
首次發(fā)現(xiàn)植物激素乙烯生物合成途徑在棉花纖維細(xì)胞伸長過程中的主導(dǎo)作用，發(fā)現(xiàn)超長鏈脂肪酸在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控乙烯生物合成，讓中國的棉花纖維進(jìn)一步伸長了3毫米，使我國棉花研究達(dá)到世界領(lǐng)先水平……這些年來，朱玉賢帶領(lǐng)團(tuán)隊取得了一系列具有重要國際影響的成果。例如，2006年，他將研究成果發(fā)表在植物學(xué)界刊物上，10多年來，被引用超過500次。
每項科研成果的誕生，都離不開無數(shù)次實驗
“一輩子做科研，可能會發(fā)很多文章，但真正讓自己引以為豪的，可能只有一兩件。”朱玉賢說。棉花纖維伸長機(jī)制研究以及找到棉花四倍體A亞基因組的“祖先”便是他十分自豪的兩項成果。他也因此獲得了國家自然科學(xué)獎二等獎等獎項。
這背后，是朱玉賢一步一個腳印的奮斗軌跡。從1996年到2006年，朱玉賢發(fā)現(xiàn)了棉花纖維伸長的秘密：植物激素乙烯在棉花纖維細(xì)胞突起階段起到關(guān)鍵作用，并且通過技術(shù)手段可以調(diào)控植物激素乙烯。隨后從2012年到2020年，朱玉賢又解決了一個困擾學(xué)術(shù)界多年的基礎(chǔ)性問題——棉花四倍體A亞基因組的“祖先”究竟是誰。
在研究棉纖維伸長機(jī)制過程中，朱玉賢關(guān)注到了一個有趣的學(xué)術(shù)爭議——陸地棉和海島棉都是四倍體，即細(xì)胞中含有分別來自A和D亞基因組的兩個染色體對，共同組成異源四倍體AD基因組。其中D亞基因組的供體（即“祖先”）是D5，學(xué)界已有公論；但與棉纖維長度關(guān)系更為密切的A亞基因組的“祖先”是誰，學(xué)界存在很大爭議。朱玉賢通過比較基因組學(xué)研究證實——陸地棉A亞基因組來自一種已經(jīng)滅絕的A0。找到了“祖先”，弄清了控制棉纖維伸長和性狀的形成機(jī)制，為人類“按需定制”棉花優(yōu)良品種奠定基礎(chǔ)。
每項科研成果的誕生都離不開無數(shù)次實驗、無數(shù)次失敗、無數(shù)次新思路“靈光一現(xiàn)”。“一篇論文里一般都有五六幅插圖，每幅插圖由七八個不同的實驗組成，共同說明一個問題。這七八個不同的實驗基本上每一個還會經(jīng)歷反復(fù)失敗，有的甚至是做了幾個月才發(fā)現(xiàn)思路不對，需要重新設(shè)計實驗再起步，經(jīng)常耗費相當(dāng)長的時間。”朱玉賢說。
“很多研究內(nèi)容可能沒有立竿見影的效果，但從長遠(yuǎn)來看，基礎(chǔ)研究對增強(qiáng)學(xué)術(shù)競爭力、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展有著重要意義。”朱玉賢說。
做科研，要善于提出問題，多問幾個為什么
“最初申報國家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項時，我設(shè)想可以解決棉纖維發(fā)育的三大問題：第一，如何讓陸地棉纖維進(jìn)一步伸長；第二，由于棉纖維細(xì)胞壁過度加厚會導(dǎo)致纖維質(zhì)量變差，要研究如何讓細(xì)胞壁停止加厚；第三，如何讓海島棉和陸地棉長一樣多的棉纖維。我的終極夢想是研發(fā)出優(yōu)質(zhì)的陸地棉和高產(chǎn)的海島棉。”朱玉賢說，“由于當(dāng)時的研究水平有限，到項目結(jié)題時，我們只解決了第一個問題；而現(xiàn)在，過去認(rèn)為很難完成的任務(wù)，已經(jīng)有了突破的希望……”
纖維素是構(gòu)成細(xì)胞壁的基礎(chǔ)物質(zhì)，朱玉賢的最新研究正是圍繞纖維素展開。“成熟的棉纖維里95%以上是纖維素，是研究纖維素合成的最好材料。高等植物細(xì)胞壁中的纖維素是由定位在細(xì)胞膜上的纖維素合酶合成的。打個比方，纖維素合酶是個小組，我們要發(fā)現(xiàn)哪些組員是決定纖維性狀的關(guān)鍵，他們各自有什么分工、發(fā)揮什么作用；去掉某個組員或者加強(qiáng)哪個組分，能不能生產(chǎn)出我們需要的性狀。”
“做科研，要善于提出問題，多問幾個為什么。”從提出問題，到研究實施，朱玉賢帶領(lǐng)團(tuán)隊做了大量實驗，把纖維素合酶中的關(guān)鍵功能基因逐個去掉，觀察棉纖維細(xì)胞發(fā)生的變化，從而確定該基因在整個纖維素合成途徑中發(fā)揮的作用。
“單一的實驗可能看不出價值所在，但如果一直研究下去，我們就可能會發(fā)現(xiàn)，到底哪些基因決定了纖維的長度、強(qiáng)度和柔韌性，它們是如何協(xié)同發(fā)揮作用的。到那時，如果把決定陸地棉高產(chǎn)（纖維數(shù)量多）的基因?qū)牒u棉，或者把決定海島棉纖維長度的基因?qū)腙懙孛蓿瑑?yōu)質(zhì)的陸地棉和高產(chǎn)的海島棉就不再是夢想……”朱玉賢充滿期望地說。
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