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第五十二期:KILLER VS PROTECTOR 论战:水稻的“攻防”

主讲人:杨江义,程珂(研究内容为水稻生殖隔离的遗传和广亲和基因的分子机制,发表在Science杂志上)

主持人:鄢文豪

内容简介:
今天大家来到学术沙龙的会场,原因很简单也很明确:上个月,我校关于生殖隔离现象的遗传机制的论文发表在Science杂志上。能在science上发表论文,自然有其独到之处。这种独到之处是科学思想的独到之处,也有着背后的独特故事。今天的学术沙龙很荣幸邀请了本文的两位第一作者,请他们为我们剖析这篇science论文的内容及论文背后的故事,我相信这些故事会让大家思考,给大家借鉴和帮助。
报告内容:
首先由杨江义博士进行介绍,杨江义负责这篇经典遗传学论文的遗传设计和材料的构建工作。因为部分参会者没有水稻研究的背景,杨江义博士先介绍了水稻的基本知识,包括水稻籼粳亚种分类、籼粳杂种优势、籼粳杂种不育现象、广亲和品种及广亲和现象。具体来讲,水稻籼粳杂交优势较强但也存在着育性低的问题。广亲和品种是一类跟籼稻和粳稻杂交其后代都可育的品种。S5位点控制水稻的杂种不育和广亲和现象,S5位点的ORF5于2008年为我校分离,研究成果发表在美国科学院院刊(PNAS)上。然而,仅ORF5基因的作用无法解释S5位点引起的杂种不育和偏分离现象。
籼粳S5杂合的近等基因系表现为半不育,基因型分析表明粳型配子的死亡导致了半不育。籼型配子存活而粳型配子死亡的现象称之为偏分离。杨江义博士提出应该从偏分离的角度来看待籼粳杂种不育,这不同于以往以广亲和视角来看待这一问题。所谓偏分离即不同于孟德尔分离规律的分离方式。对于偏分离现象的研究在动物进行了数十年,结论是偏分离现象由多基因控制。通过阅读和思考,杨江义博士认为S5位点的杂种不育和广亲和现象也应该是由多基因控制的,并用一系列遗传材料进行了证明。最终,得到了ORF3,ORF4,ORF5等基因分别扮演护卫,帮凶和杀手的角色,形成了一套完美的遗传互作系统。
在证实这个工作系统中应用了多套近等基因系和转基因材料,而其中的杂交设计更是令人叫绝。然而,一个完整的工作,除了有遗传的证据更应从细胞生物学和分子生物学的角度解释。程珂同学从细胞生物学和分子生物角度对三个基因控制偏分离,而影响育性的理论进行了进一步的佐证。首先是三个蛋白的定位。ORF5的相关工作在2008年的PNAS中已经涉及,这次主要针对ORF3和ORF4开展工作。利用烟草BY2细胞及水稻原生质体细胞将ORF3定位于内质网,ORF4定位于细胞质和细胞膜。其中ORF4的定位过程中,由于质粒用量的不同可能会导致定位结果的偏差,这也应该引起大家的注意。
在研究ORF3,ORF4,ORF5三个因子互作的系统中,一个较直观的想法是三者之间可能存在着蛋白直接互作。但是用酵母双杂交,细菌双杂交及双分子荧光互补的方法均未检测到蛋白的互作。这可能意味着它们仅仅是参与同一个pathway。
另外,从细胞学角度,程珂对不同基因型的胚囊的发育进行了观察,发现了珠心的发育异常以及四分体的非正常退化等现象。以功能大孢子子房进行基因芯片分析,确实发现了一系列与细胞程序性死亡相关的基因表达规律的变化。后续定量PCR和TUNEL实验都证实了PCD在这个过程中的作用。赵晓波也对内质网胁迫及选择性剪切在整个育性控制过程中的角色进行了研究。整个研究在研究思路和研究结果上都极具创新。
首先利用多基因控制的偏分离观点来剖析经典的遗传学现象极大的促进了研究的进程,一个好的思路和视角是成功的一半。本研究发现的雌配子不育系统以及ORF4,ORF5的非加性互作方式也是首次在植物中阐释。
提问环节:
同学们针对研究过程中的育性分离比,三个ORF对其它性状的影响及相关技术环节进行了交流。
其中对于广亲和育种及科研中遇到的困难大家进行了深入的讨论。对于广亲和育种的策略,杨江义博士分别从转基因育种及分子标记辅助选择育种两个方面进行了阐释。鉴于三个ORF之间弓,箭,盾牌的关系,理论上只要转入盾牌育性就会提高。而因为转基因技术的争议存在,我们更可行的是分子标记辅助选择育种。得益于三个位点的发现,我们只要避开弓,箭同时存在且盾牌不存在的情况就能破除育性障碍。当然最简单的方法莫过于直接将含有盾牌的广亲和片段导入籼粳稻,无论是籼粳杂交还是其他都不会有太多的问题。而对于科研中遇到困难该如何面对可能是更多新人想要借鉴的。在这么一个极富挑战性的课题中,当然会遇到困难。面对困难杨江义的选择是回到田间,从田间实践找答案。源于自然本身的现象总是最可靠的。程珂则更喜欢与不同的实验室不同研究背景的人进行讨论,在讨论之后找到问题的思路。

总结:
这是一个非常经典的遗传学研究,更是遗传学,细胞生物学及分子生物学的完美结合。虽然还有更多的问题有待解决:如三个因子之间的互作到底是怎么回事?等等。恰恰是这些问题的存在又为后续的研究找到了切入点。
在从事研究的过程中,创新和协作显得越来越重要,对此杨江义分享了自己的感悟:好奇心,洞察力和注意力是科研成功的关键。从本研究的开展过程中可以看到正是基于对田间一个矛盾的现象“ORF5转基因全不育而籼粳杂交半不育”的关注和持续思考才最终产生了这个课题。而对意外结果“广亲和品种Dular的配子被杀死”的不放弃而导致了第三个因子被发现。团队协作很重要,再从黑箱(一无所知)到灰箱(知其然)的过程遗传学材料和遗传涉及起了主要作用,而从灰箱到白箱(知其所以然)的过程中则是由细胞生物学和分子生物学主导。正是多学科的融合使得这个故事如此完整。从他们的故事中我们不难得到启发:探寻问题的好奇心,分工协作的胸怀以及忠实自然现象的奥秘往往能给我们带来意外的收获。
今天报告的内容很充实,同学们的讨论不是很热烈,可能与繁杂的遗传设计有关。当然,从同学们对嘉宾的针对性提问中也可以看出来,大家或多或少的都有所触动,这是成功的开始。值得特别提出的:一批本科生同学参与了今天的活动并提出了自己的问题。也许听不懂,这很正常,毕竟是两位(准确的说是三位)同学累计起来近十年的经验。但是作为本科生,能够参与感受学术研究的历程,感受交流的气氛并能大胆开口,这是大大的一步。我们也欢迎更多有兴趣的同学和朋友参与,就像我们的宣传海报上讲的:这里没有年级高低没有师生长幼,只有参与的热情和思想的交流。JC的大门向每一个有交流意愿的人敞开。