专访张启发院士研究组：“粒粒”皆辛苦

　　

生物通报道：俗话说，国以民为本，民以食为天，吃饭的问题不仅关系到人们的生活，而且也关系着人类的生存。现代科学手段已经在解决粮食生产方面发挥了重要的作用，尤其是在提高农作物产量相关的植物性状方面起到了关键作用。

近期来自华中农业大学生命科学技术学院，作物遗传改良国家重点实验室等处的研究人员破解了决定水稻籽粒大小的遗传学关键控制区域，为相关品种改良提供了重要的理论依据。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

领导这一研究的是华中农业大学张启发院士，文章第一作者是张启发院士研究组茆海亮博士，张启发院士研究组为了弄清楚影响水稻籽粒大小的遗传学因素，早在1997年就开始了对控制水稻粒形基因的研究，并且在2006年找到了控制水稻粒形的基因：GS3，但是这还只是图位克隆了这个基因，对基因的功能没有直接的证明，直到近期，这一研究组终于证实了GS3是调控谷粒大小的主要基因，揭示了基因所编码蛋白的结构与功能之间的关系，这一历程花费了十多年时间，可谓是“粒粒”皆辛苦。

为了更深入了解这一研究成果，生物通特联系了张启发院士和茆海亮博士，就读者感兴趣的一些问题请教了他们：

生物通：水稻谷粒大小的重要性显而易见，贵研究组在06年就找到了控制水稻粒形基因GS3，而最新的研究则发现了基因中控制籽粒大小的关键区域，这一成果相对于第一项成果（发现控制水稻粒形基因），有何重要的意义呢？

回答：2006的研究结果，只是图位克隆了这个基因，预测这个基因编码的蛋白包含PEBP、TNFR、VWFC等保守结构域，但对基因的功能没有直接的证明。最新的研究，通过一些转基因实验证实了这个基因的功能，说明我们所找到的基因确实是控制谷粒大小的基因。同时我们发现GS3编码的蛋白并不包含PEBP结构域，控制籽粒大小的关键区域是OSR，对这个基因作用机理有了更深的认识，从而可以更好的指导育种。

生物通：在进行水稻性状决定基因的相关研究中，主要采用的是哪些实验方法，在最新的这项研究中，是否有一些方法学上突破？

回答：找到决定某个性状基因以后，一般会进行一些生物信息学分析，获取基因的表达信息，基因的结构，编码蛋白的保守结构域等。然后，根据这些信息设计相关实验，了解这个基因在什么部位表达，编码蛋白的亚细胞定位，筛选与这个基因互作的蛋白等。当然，不同基因都会有不同的故事，采取的策略也可能完全不一样。在我们的研究中，由于这个蛋白有不同的结构域，那么这些不同的结构域有着什么功能？对粒形的调控有着怎样的影响？我们采用了结构域缺失的方法，就是将其中的一个或两个缺失，然后进行转基因实验，最终找到这个基因的关键功能区。

生物通：研究发现“基因GS3编码的蛋白存在相互对抗的前后两个部分，GS3蛋白内首尾两部分之间的‘博弈’最终决定籽粒的大小”。这里的“博弈”具体指的是什么？

回答：GS3蛋白可以使谷粒变短，功能越强，谷粒表现越短。当没有GS3（没有功能）时，谷粒最长；完整的GS3蛋白中另一部分抑制OSR功能的发挥，使这个基因功能减弱，粒长中等；当只有OSR时，没有另一部分对它的“束缚”，基因功能最强，谷粒也最短。

生物通：这项研究取得了谷粒大小和粒型调控研究方面的重大进展，目前是否准备应用于水稻育种中，如何操作呢？

回答：这个基因克隆以后，提供了一个在生产上很好用的分子标记，使选育工作更加有效。事实上，国内外多家单位已经用GS3基因的相关信息建立了育种体系，进行品种改良。由于各地饮食习惯差异，育种中对粒形的选育并非只选最长或最短，例如几乎所有的优良粳稻品种中都带有完整的GS3蛋白，粒长中等，而优良的籼稻品种中GS3蛋白无功能，谷粒为长粒。通过对该基因的导入和替换，可以有效地改变水稻品种的粒型，满足不同的需要。

生物通：转基因农作物的争论由来已久，您认为要把好转基因作物的生产和发展的关卡，关键是什么？

回答：转基因育种是未来的大方向。温总理在接受美国《科学》杂志主编艾伯茨专访时就说：“我力主大力发展转基因工程，特别是最近发生的世界性粮食紧缺更增强了我的信念”。我个人觉得，目前转基因作物生产和发展的关卡应该不是技术层面，而是普通民众对转基因作物的了解、接受和认可程度。造成这个局面出现的主要原因是我们对转基因相关的知识、政策和法规宣传力度不够，从而使民众对转基因作物认识不够，甚至会受一些媒体片面宣传的误导。以本室已经获批安全证书的“华恢1号”（转Bt基因抗虫水稻）来说，部分人认为虫子吃了会死，那人怎么还能吃？民众有这样的顾虑可以理解，因为他们不知道Bt蛋白的作用机理。转基因作物表达的Bt蛋白是一种原毒素，本身是无毒的，要转变成毒素分子，必须经过溶解和酶解这两个过程后才能产生具有杀虫活性的毒素分子。释放出的毒素分子，还要与中肠上皮细胞纹缘受体（BBMV）特异结合，才能破坏细胞膜，引发毒性，最终使昆虫厌食而亡。这些过程只有在鳞翅目、鞘翅目昆虫的中肠中才能发生，其他动物或人类是没有中肠的，也就没有这种特异的受体，当然也就不可能会引发毒理作用，这是经过多年实验证实的。所以说，凡是经过国家指定机关检测检疫后认证的转基因作物都是安全的，我们需要相信科学。当然，让普通民众熟悉转基因，认识转基因，最终解除对转基因的疑虑乃至恐惧还有很长一段路要走，这也正是我们这些科技工作者的努力目标之一。

欲了解张启发院士研究组更多情况，请点击实验室链接：
http://cpst.hzau.edu.cn/kxyj/ShowArticle.asp?ArticleID=474

（生物通：王蕾）

原文摘要：
Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice
Hailiang Maoa, Shengyuan Suna, Jialing Yaob, Chongrong Wanga, Sibin Yua, Caiguo Xua, Xianghua Lia, and Qifa Zhanga,
Grain yield in many cereal crops is largely determined by grain size. Here we report the genetic and molecular characterization of GS3, a major quantitative trait locus for grain size. It functions as a negative regulator of grain size and organ size. The wild-type isoform is composed of four putative domains: a plant-specific organ size regulation (OSR) domain in the N terminus, a transmembrane domain, a tumor necrosis factor receptor/nerve growth factor receptor (TNFR/NGFR) family cysteine-rich domain, and a von Willebrand factor type C (VWFC) in the C terminus. These domains function differentially in grain size regulation. The OSR domain is both necessary and sufficient for functioning as a negative regulator. The wild-type allele corresponds to medium grain. Loss of function of OSR results in long grain. The C-terminal TNFR/NGFR and VWFC domains show an inhibitory effect on the OSR function; loss-of-function mutations of these domains produced very short grain. This study linked the functional domains of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice.