破译棉花的基因密码

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郭三堆在田里做试验。资料照片

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郭三堆旧照。资料照片

人物小传

郭三堆,1950年出生,山西泽州人,研究员、博士生导师,中国农科院生物技术研究所分子育种中心原主任。他设计合成了具有我国自主知识产权的苏云金芽孢杆菌单价、双价、融合抗虫基因,并在国际上首次建立了适合产业化应用的转基因三系杂交抗虫棉分子育种技术体系,引领我国棉花育种领域不断突破;他被评为全国先进工作者,享受国务院特殊津贴。

前段时间,我国北方产棉区迎来了丰收季,一朵朵洁白的棉铃结满枝头。“海南基地的棉花长势不错,过段时间就要准备授粉、选种了。”安排完下个阶段的工作,郭三堆才安下心来。2017年,他带领团队研制的抗除草剂转基因棉花品种获国家发明专利,前不久正式获批进入生产试验阶段。

古稀之年,郭三堆依然忙得闲不下来。大部分时间,他不是在棉田里忙碌,就是坐在试验台前。从事棉花分子育种三十余载,突破多项关键技术、设计合成具有我国自主知识产权抗虫基因的他,至今仍在孜孜不倦地破译棉花的基因密码。

“搞农业科研,就是要用实绩说话”

2020年春节,郭三堆一如既往,在海南南繁育种基地里度过。一年四季,寒暑交替,他就像候鸟一样南来北往——

去年9月,赴新疆察看杂交棉长势;10月初,马不停蹄赶往海南播种;今年春节,南繁的棉花进入盛花期,别人忙着过年,他忙着取样、鉴定;4、5月,又在河北指导播下新一季种子……

“搞农业的人哪有休息日?作物要生长,总不能叫它停下来等我们呀。”郭三堆笑着说,从几十年前和农业结缘开始,这样的生活节奏就没变过。

与农业基因研究结缘,郭三堆有一段曲折的经历。1975年,从北大生物系毕业后,他进入中科院微生物研究所工作。那时候,基因工程还处于发展初期,多用于医学领域。和许多同学一样,郭三堆打算一边工作,一边继续考研。但一次意外,他与研究生考试失之交臂。

“当时挺失落的,想着可能没有继续读书的机会了。”让郭三堆没想到的是,1983年,著名分子生物学家范云六,创建了中国农科院生物技术研究中心(中国农科院生物技术研究所前身),30岁出头的郭三堆被调入农科院,做起了农业相关的分子生物学研究。生物学搭上农业,让自小在农村长大的郭三堆越学越有了兴趣。

“搞农业科研,就是要用实绩说话。”三年后,他被推荐留学深造。在留学的两年里,郭三堆埋头做研究,天天待在实验室,非常珍惜这来之不易的学习机会,以至于连当地的著名景点都没去过。

功夫不负有心人,留学期间,郭三堆就在“杀虫基因的结构与功能研究”中取得重要进展。就在此时,国家启动了“863计划”,急需组建专业人才队伍。1988年初,他结束留学生涯踏上回国之路。回国后他全身心投入到抗虫棉研究之中。

“要想重振棉花产业,得靠自有的知识产权”

很多人说,抗虫棉拯救了中国棉业。“当时团队压力很大,不仅来自课题本身,更来自现实的紧迫。”郭三堆坦言。

上世纪90年代初,我国曾暴发虫灾,全国棉花总产量受到很大影响。“原本一年喷3次药就能防住棉铃虫,到后来喷20多次都无济于事。摇一摇棉花植株,哗啦啦掉下来的全是棉铃虫。”郭三堆对当时的棉花产业前景感到担忧。

“要想重振棉花产业,得靠自有的知识产权。”郭三堆马上投入研究工作。当时选取的抗虫基因,来自生物杀虫剂苏云金芽孢杆菌。郭三堆团队的任务就是将其改造后导入棉花,使植株具有抗虫性。然而,细菌是原核生物,棉花是真核生物,“这相当于在旱地里划船,难度很大”,郭三堆说。

先在烟草上做试验。“烟草生长周期短、基因组小,转化相对容易。长成植株后,模拟田野环境,观察虫子的反应,可以初步判断抗虫基因的载体构建是否有效。”郭三堆说。

和烟草相比,抗虫基因的表达载体导入棉花要复杂得多:有的品种无法培育出再生植株;有的品种能再生植株,但遗传不稳定,表达不出抗虫性……这意味着同一环节的试验要重复很多次。通常,抗虫遗传稳定的小苗刚长出一两片叶子,郭三堆和同事就马上取样鉴定,争取在疏苗前淘汰掉不合适的植株,节省时间和空间……

为了早日研究成功,郭三堆和同事们铆足了劲日夜钻研……无数次失败后,团队终于筛选出合适的抗虫种质资源。1994年,单价抗虫棉研制成功,第二年获得国家专利。

初步成功后,郭三堆并没有停下研究的脚步。他提出,单基因不够,要在一个载体上挂两个基因。“这相当于给棉花上了‘双保险’,提升抗虫效果。”郭三堆解释道。5年后,双价抗虫棉通过安全评价并获准生产。

“最大的理想,就是培育出高产、优质、广适的棉花品种”

在郭三堆的办公室里,除了堆积如山的书籍和研究资料,书架边还摆了一袋袋棉花。“看这棉铃,个头大,絮又长。”他拿出一朵棉铃,扯出一缕棉絮轻轻摩挲,又仔细捻了捻。

郭三堆手里的棉铃,来自转抗虫基因三系杂交棉,这是郭三堆团队前些年的研究成果,在国际上处于领先地位。它不仅保持了抗虫棉的特点,而且能提高产量和品质,降低成本,增产幅度达25%以上。

现在的郭三堆,一年有大半时间扎在棉田里:“垄内杂草很难除尽”“机采效果不太理想”……去各地调研时,他总会把棉农的反馈记下来以备研究。

跟过去相比,如今的科研条件大大改善。设备一应俱全,工人的操作也都轻车熟路,很多人劝郭三堆不用总到田地里去了。“不能光听别人说,实际情况如何还得靠自己观察。”郭三堆觉得,铃大铃小,吐絮畅不畅,都要到田里看一看、摸一摸,心里才有数。

“他呀,棉花上的事情清楚得很。自己的衣服和鞋子,却从来不知道穿多大码。”郭三堆的爱人徐琼芳说,夫妻俩是同行,一个研究棉花抗虫高产,一个研究小麦抗蚜虫,“没想到啊,我俩这辈子都和田里的虫子较上劲了。”

在郭三堆心里,“最大的理想,就是培育出高产、优质、广适的棉花品种”。为此,郭三堆又开始忙碌:通过分子标记育种,将绒长、拉力、细度等指标好的海岛棉与产量高的陆地棉结合起来,培育出更加理想的品种。

目前,海陆三系杂交棉花已经开始在新疆试验,同时科企合作也在步步推进。未来,理想的棉花植株是什么样的?“果枝再短一些,内围铃集中。茎秆很硬,能避免倒伏。吐絮要畅,方便机收,但又不能太畅,否则风一吹就掉了。叶子表面光滑,防止与棉絮粘黏……”为实现这般图景,郭三堆说,自己要做的事情还很多……

记者手记

无悔选择 贵在坚守

从郭老口中得知,棉花的花朵很特别,始为白色,后渐渐泛红;花期也格外长,在新疆,甚至可达40天之久。事实上,他对待自己珍视的棉花育种事业,亦是如此:时间愈久,感情弥深;激情一直在,实干一辈子。

和大多数人一样,郭三堆在求学、工作、深造之路上,屡次面临选择。选择并不难做,难的是选择之后持之以恒的坚守。因为郭老的坚守与努力,加上满腔的热情和才华,才绽放出了绚丽的花朵。

从单价、双价抗虫棉,到转抗虫基因三系杂交棉,再到抗除草剂、高产优质品种……当下,郭三堆的棉花育种坐标系还在不断延展,没有终点。棉农生产和产业发展的需求,就是他几十年如一日奋战在研发、生产一线的动力。(记者 郁静娴)

《 人民日报 》( 2020年12月29日   第 06 版)