中國(guó)科學(xué)院院士、植物生理學(xué)家朱玉賢——持續(xù)探索伸長(zhǎng)棉纖維的密碼（講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神）
2023-07-19 16:49:21
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)
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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(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。王郭驥攝
人物名片
朱玉賢：1955年生，中國(guó)科學(xué)院院士?，F(xiàn)任武漢大學(xué)高等研究院院長(zhǎng)、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(zhǎng)的分子機(jī)制及調(diào)控規(guī)律。通過(guò)長(zhǎng)期研究，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了“讓中國(guó)的棉花纖維進(jìn)一步伸長(zhǎng)了3毫米”，推動(dòng)我國(guó)棉花研究達(dá)到世界領(lǐng)先水平。研究成果曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)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(shuō)。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(guó)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(zhǎng)度為25—30毫米，海島棉纖維一般長(zhǎng)度在35毫米以上。“海島棉纖維更長(zhǎng)，品質(zhì)更高，但它對(duì)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(shuō)。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(guó)家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項(xiàng)”課題，通過(guò)10多年不懈探索，終于研究出“讓中國(guó)的棉花纖維進(jìn)一步伸長(zhǎng)了3毫米”的重要成果?，F(xiàn)在，他正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索棉花基因組的奧秘，通過(guò)扎實(shí)的基礎(chǔ)研究夯實(shí)棉花良種選育的根基。
立志把棉花作為堅(jiān)守一生的研究方向
為何研究棉花？朱玉賢說(shuō)：“因?yàn)槲沂寝r(nóng)民的兒子。”朱玉賢出生于浙江富陽(yáng)的一個(gè)農(nóng)家。1978年參加高考，他以優(yōu)異的成績(jī)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(guó)留學(xué)深造，并于1991年回國(guó)，在北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院任教。“我對(duì)故土有種割不斷的感情。”朱玉賢說(shuō)，當(dāng)時(shí)的生活條件雖不盡如人意，但他還是堅(jiān)持留了下來(lái)，“國(guó)家正在快速發(fā)展，各方面都需要人才。”
1996年，國(guó)家啟動(dòng)“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(cè)棉纖維伸長(zhǎng)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(gè)領(lǐng)域有點(diǎn)基礎(chǔ)。”朱玉賢笑著說(shuō)。于是，他申請(qǐng)了“國(guó)家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項(xiàng)”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??；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(gè)足以讓我研究一輩子的物種。”朱玉賢說(shuō)，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(guó)家的重大需求結(jié)合起來(lái)。”
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(zhǎng)過(guò)程中的主導(dǎo)作用，發(fā)現(xiàn)超長(zhǎng)鏈脂肪酸在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控乙烯生物合成，讓中國(guó)的棉花纖維進(jìn)一步伸長(zhǎng)了3毫米，使我國(guó)棉花研究達(dá)到世界領(lǐng)先水平……這些年來(lái)，朱玉賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了一系列具有重要國(guó)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(lái)，被引用超過(guò)500次。
每項(xiàng)科研成果的誕生，都離不開無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)
“一輩子做科研，可能會(huì)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(shuō)。棉花纖維伸長(zhǎng)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(xiàng)成果。他也因此獲得了國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。
這背后，是朱玉賢一步一個(gè)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(zhǎng)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(guò)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(gè)困擾學(xué)術(shù)界多年的基礎(chǔ)性問(wèn)題——棉花四倍體A亞基因組的“祖先”究竟是誰(shuí)。
在研究棉纖維伸長(zhǎng)機(jī)制過(guò)程中，朱玉賢關(guān)注到了一個(gè)有趣的學(xué)術(shù)爭(zhēng)議——陸地棉和海島棉都是四倍體，即細(xì)胞中含有分別來(lái)自A和D亞基因組的兩個(gè)染色體對(duì)，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(zhǎng)度關(guān)系更為密切的A亞基因組的“祖先”是誰(shuí)，學(xué)界存在很大爭(zhēng)議。朱玉賢通過(guò)比較基因組學(xué)研究證實(shí)——陸地棉A亞基因組來(lái)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(zhǎng)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(xiàng)科研成果的誕生都離不開無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)、無(wú)數(shù)次失敗、無(wú)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(gè)不同的實(shí)驗(yàn)組成，共同說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題。這七八個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)基本上每一個(gè)還會(huì)經(jīng)歷反復(fù)失敗，有的甚至是做了幾個(gè)月才發(fā)現(xiàn)思路不對(duì)，需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)再起步，經(jīng)常耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。”朱玉賢說(shuō)。
“很多研究?jī)?nèi)容可能沒(méi)有立竿見(jiàn)影的效果，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基礎(chǔ)研究對(duì)增強(qiáng)學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著重要意義。”朱玉賢說(shuō)。
做科研，要善于提出問(wèn)題，多問(wèn)幾個(gè)為什么
“最初申報(bào)國(guó)家轉(zhuǎn)基因棉花重大專項(xiàng)時(shí)，我設(shè)想可以解決棉纖維發(fā)育的三大問(wèn)題：第一，如何讓陸地棉纖維進(jìn)一步伸長(zhǎng)；第二，由于棉纖維細(xì)胞壁過(guò)度加厚會(huì)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(zhǎng)一樣多的棉纖維。我的終極夢(mèng)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(shuō)，“由于當(dāng)時(shí)的研究水平有限，到項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，我們只解決了第一個(gè)問(wèn)題；而現(xiàn)在，過(guò)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(gè)比方，纖維素合酶是個(gè)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(gè)組員或者加強(qiáng)哪個(gè)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(wèn)題，多問(wèn)幾個(gè)為什么。”從提出問(wèn)題，到研究實(shí)施，朱玉賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做了大量實(shí)驗(yàn)，把纖維素合酶中的關(guān)鍵功能基因逐個(gè)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(gè)纖維素合成途徑中發(fā)揮的作用。
“單一的實(shí)驗(yàn)可能看不出價(jià)值所在，但如果一直研究下去，我們就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，到底哪些基因決定了纖維的長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)度的基因?qū)腙懙孛?，?yōu)質(zhì)的陸地棉和高產(chǎn)的海島棉就不再是夢(mèng)想……”朱玉賢充滿期望地說(shuō)。
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