PNAS文章访谈-刁现民研究员讲述关于谷子株型调控新机制背后故事

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2020年8月18日，PNAS杂志在线发表了中国农业科学院作物科学研究所刁现民课题组、吴传银课题组与中科院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心刘西岗组（现河北师范大学）联合完成的研究成果“DROOPY LEAF1 Controls Leaf Architecture by Orchestrating Early Brassinosteroid Signaling”，该研究以我国特色杂粮作物谷子为模式系统，揭示了一种新的BR信号调控作物披叶表型的分子途径，对发展和完善植物激素调节作物株型的研究体系具有重要的意义。我们有幸采访了该论文的通讯作者中国农业科学院作物科学研究所刁现民研究员、以及第一作者赵美丞博士，和我们分享他们在研究过程中的问题、经验以及对科研的感悟和建议。

paperRSS：刁老师您好，赵博士好，谢谢接受paperRSS的采访。首先，对你们在PNAS上发表论文表示祝贺。请刁老师简短的谈谈这个工作的重要意义。

刁现民：很高兴接受采访！谷子作为小作物能在PNAS上发表文章，离不开团队成员的共同努力。另外，我非常感谢吴传银研究员以及刘西岗研究员的合作与支持。谷子作为我国起源的特色杂粮作物，目前正在发展成为禾本科尤其是黍亚科作物功能基因研究的模式作物。我们课题组三十多年来，坚持谷子的基础研究，建立了谷子突变体库和谷子单倍型图谱，与吴传银老师联合建立了谷子高效遗传转化体系，克隆了多个控制谷子关键农艺性状的重要基因。这次谷子DPY1基因能够在PNAS上发表，一方面是这个基因在BR信号通路上的新颖性，它展示了植物是如何控制激素信号的油门过大，也就是说植物是如何的对某个过大的信号进行刹车的，从这个角度讲，DPY1就是个“刹车基因”。这个成果是实验室多年的积累，说明谷子作为功能基因组研究模式植物的潜力深厚、前景广阔。

paperRSS：请问这个课题你们做了多久？

刁现民：从2012年在我们EMS突变体库中筛选到这个突变体开始配群体，到2020年文章发表，经历了8年多的时间。实验室开始由汤沙博士（论文共同第一作者）建立了谷子突变体致变基因的快速定位及克隆体系，并带领学生完成了基因定位和突变体表型鉴定等工作。我的博士研究生赵美丞在毕业进入中科院遗传与发育生物学研究所农业研究资源中心刘西岗组以后，在长时间职称晋升受影响的情况下，耐得住寂寞，坚持DPY1基因的分子机制研究，并在3年前取得了分子上的关键突破。同时，吴传银老师团队在2017年攻克谷子高效转化的难题，建立谷子高效转化体系，使得这个基因的系统遗传学分析得以实施，也对本研究起到了关键作用。应该说这个成果的取得是多年坚持和多家团队合作的结果，感谢大家。此外，赵美丞和汤沙两位年轻人的合作和能力互补在这个项目执行中起到了重要作用。 

paperRSS：谷子作为基因功能研究的模式作物真的可行吗？相比于拟南芥和水稻有什么优势？

刁现民：如果你3年前问这个问题，我可能还有一丝犹豫。现在我们可以说谷子作为功能基因研究的模式作物已经受到世界范围的认可。除了我们发表的PNAS在内一系列成果外，我们很熟悉的美国Danforth Plant Science Center也以谷子野生种祖先青狗尾草为模式发表多篇高水平研究论文，包括1篇Nature Plant和多篇Plant Cell文章。谷子模式植物体系的优点我介绍过很多次，简单来说包括“生育期短，70天完成一个种植周期；植株小，可以在培养箱培养构建群体；基因组简单且有高质量的参考基因组和丰富的标记；转基因效率高，遗传分析简单易行”。相对于拟南芥，谷子本身就是农作物，有C4光合作用、抗旱耐逆等特征，并且谷子和玉米、高粱、珍珠粟、黍子等禾本科重要作物有着很近亲缘关系，其研究成果能够直接应用于玉米等主要作物中；相比于水稻，谷子的种植管理更为方便，一个营养钵就可，能够随时在培养箱种植。我国是谷子起源的国，有着丰富多样的资源，谷子模式体系的建立必将促进我们的资源优势转化为科技优势。 

paperRSS：请问赵博士，该研究中实验方面遇到最大的困难是什么？如何突破？

赵美丞：在长达8年漫长的研究过程中，关键实验体系的建立和完善曾经给我们带来很大挑战。比如，5年前（2015年）我们就拿到了DPY1的候选基因，可是当时谷子遗传转化体系不成熟，很难在谷子中直接验证DPY1的功能，因此我们只能初步地在拟南芥和水稻中检测DPY1的生物学功能，这严重限制了研究的深入。直到2017年初，吴传银老师团队突破了谷子遗传转化后，我们在这方面的问题都得到了很好的解决。伴随着作物基因编辑技术的快速发展，目前我们在谷子中已经可以很容易的敲除某一个特定基因，甚至可以像拟南芥那样构建“双突”突变体，这对基因功能研究及遗传学通路的确立是不可或缺的。在分子途径解析方面，DPY1及其同源基因在此前没有任何调控植物生长发育的报道，只能从头摸索。我们通过对dpy1突变体多次可重复的生理实验确认其披叶表型与BR密切相关。在筛选互作蛋白的时候，我发现DPY1可以很强地与BAK1互作，并且被BAK1磷酸化，沿着这个线索不断完善，我们顺利完成了DPY1参与BR调控的分子途径解析。 

图 DPY1介导的谷子叶结构调控模型

paperRSS：你认为该项研究的成功要归功于哪几个因素？

赵美丞：分子遗传学的快速发展及专业领域日趋细化就决定了作物功能基因组研究绝不能单兵作战，在这个大环境下，我觉得团队协作对一项研究顺利实施非常重要。比如，我们的研究中包括突变体在内的种质资源创制以及遗传群体构建是由刁老师团队完成；吴老师团队负责谷子的遗传转化；我所在的刘西岗老师团队擅长植物发育生物学领域。三个团队优势力量的结合是整个研究顺利实施的关键。此外，中国科学院遗传与发育研究所李家洋院士和河北师范大学汤文强老师的指导，这点也很重要，领域内专家的建议能避免我们少走弯路。除了团队协作，核心成员对实验结果的合理分析也是重要因素之一。水稻的茎/叶夹角度和谷子叶片披垂是两个完全不同的农艺性状，大家知道BR在水稻中控制茎/叶夹角，那它是否调控叶片披垂度呢？起初我们的实验结果支持这个假设，随后我们沿着这个假设出发，通过多重实验验证也很好地揭示了BR在植物中这个独特的功能。最后，学科发展来带的“机遇”也很重要，没有刁老师几十年的材料积累及吴老师在关键时刻的技术突破，该研究很难说有运气一直走下去。

paperRSS：能否结合你的经验对刚刚开始课题研究的博士或者青年科研人员提供建议？

赵美丞：我现在也属于刚刚学会尝试的青年科研人员。就如以上所说：团队协作、合理判断，在坚持中抓住科研机遇。在起步阶段，我们要尽量根据个人的能力、学习背景及所在实验室的情况选择适合自己的课题，我理解的“适合”就是自己蹦一下就可能实现的课题。我见过一些综合能力非常出色的博士生，由于选择的课题难度较大，最后实验越做越窄，不仅对这个课题失去了信心，甚至断送了自己的科研生涯。 

paperRSS：刁老师说年轻人的合作起到了重要作用，请问赵博士是如何合作的，该如何更好的发挥合作的作用？

赵美丞：一个好的合作前提是大家有一个共同的目标及彼此了解各自的长处。如汤沙博士对基因定位及生物信息学分析驾轻就熟，张皓珊博士擅长谷子遗传转化，而我本人对激素信号转导及生化实验较熟知。我们各取所长、密切配合，高效完成科研工作。又比如在谷子叶片徒手切片过程中，谷子苗期叶片很软且薄，这增加了徒手横切的难度，我与组内的李永鹏博士反复讨论，在改进方法多次尝试后，终于获得较满意的横切。研究过程中涉及到大量的生化实验，刘晓彤博士与我密切配合，极大的提高了工作效率。这些合作也使我们有一个互相学习的机会并提升了实验技能。

paperRSS：最后，请谈谈文章顺利发表后的感想吧，或者说现在内心最大的感受？

赵美丞：感谢所有人的付出，感谢单位及研究组对我的包容。 

paperRSS：期待您们今后在谷子科研领域取得更多更大的突破性成果，也祝您们在工作生活顺心顺意！

刁现民：谢谢，祝愿paperRSS越办越好。也欢迎更多优秀的研究组和青年英才加入到我们谷子科研行列！

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/08/11/2002278117

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