賴錦盛在玉米地進(jìn)行研究工作。
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糧安天下，種業(yè)為“芯”。種業(yè)作為農(nóng)業(yè)的“芯片”，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。
玉米是中國第一大糧食作物，年產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量約四成。多年來，國家玉米改良中心主任、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物基因組與生物信息學(xué)系教授賴錦盛深耕種業(yè)研究，帶領(lǐng)團隊面向玉米這個重要農(nóng)作物開展研究，在基因測序、基因編輯和生物育種等領(lǐng)域取得了多個“從零到一”的突破。
補全基因組測序“空白”
本世紀(jì)初，被譽為生命科學(xué)“登月計劃”的人類基因組草圖公布，點燃了基因組學(xué)的“第一把火”。隨后，玉米等多個物種的參考基因組序列草圖相繼公布。然而，由于基因組的高度復(fù)雜性，全球科研人員一直沒能實現(xiàn)對復(fù)雜生物的全基因組探索。
科學(xué)家為什么要探索玉米等物種的基因組？賴錦盛介紹，種子在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈處于頂端位置，也是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中最能體現(xiàn)科技含量的領(lǐng)域。基因組測序作為重要的基礎(chǔ)工作，能夠為作物遺傳改良提供豐富的遺傳信息，推動種子培育技術(shù)創(chuàng)新。
1996年，賴錦盛赴美國新澤西州立大學(xué)從事博士后工作，師從美國科學(xué)院院士喬基姆·梅辛教授。
“他是全球分子生物學(xué)和基因組測序的奠基人物，在美國玉米基因組測序和其他物種基因組學(xué)研究領(lǐng)域做了大量開創(chuàng)性工作。”在導(dǎo)師的啟發(fā)下，賴錦盛回國后繼續(xù)開展玉米基因組學(xué)研究。
2006年，賴錦盛來到中國農(nóng)業(yè)大學(xué)任教。2009年，他主持的“玉米基因組學(xué)與分子育種”課題開啟；今年6月，賴錦盛團隊在國際期刊《自然·遺傳學(xué)》上發(fā)表了論文《玉米全基因組所有染色體端粒到端粒完整無間隙組裝結(jié)果》，實現(xiàn)了在所有復(fù)雜動植物基因組中首次真正意義上的全基因組完整無間隙組裝。
這篇論文被譽為基因組組裝和基因組學(xué)研究領(lǐng)域“里程碑式”突破，研究成果補全了國際玉米基因組草圖自2009年公布以來尚存的幾萬個“空白”區(qū)域，攻克了復(fù)雜動植物基因組組裝的“最后一道難題”。
“登上月球之前，人類總有一個‘月球夢’，玉米基因組測序就是我的‘月球夢’，這是一個科研人員本能的好奇。”賴錦盛說。
2019年，喬基姆·梅辛猝然離世，未能見到這項成果面世，這讓賴錦盛頗為遺憾。為此，他在論文的致謝部分特別標(biāo)注：謹(jǐn)以這項研究成果紀(jì)念導(dǎo)師。
突破基因編輯“卡脖子”難題
作為生物育種領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，基因編輯技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。賴錦盛說，用“基因剪刀”切割不利的基因，去除不良性狀——這是基因編輯技術(shù)的一項基本應(yīng)用。
賴錦盛介紹，所謂“基因剪刀”，其實是能夠精準(zhǔn)剪切生物體遺傳物質(zhì)DNA的“基因編輯核酸酶Cas蛋白”，通過對目標(biāo)基因進(jìn)行靶向剪切，實現(xiàn)對生物基因組的精準(zhǔn)微調(diào)，從而加速培養(yǎng)出具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等優(yōu)秀農(nóng)藝性狀的作物。
2012年，法國科學(xué)家埃瑪紐埃爾·沙爾龐捷和美國科學(xué)家珍妮弗·杜德納共同開發(fā)了Cas9基因編輯技術(shù)，并于2020年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。隨后，科學(xué)家進(jìn)一步開發(fā)了Cas12a等基因編輯技術(shù)。但長期以來，這些基因編輯技術(shù)的核心專利，也就是“編輯器”，被少數(shù)國家壟斷。為了推動實現(xiàn)“種業(yè)科技自立自強、種源自主可控”的目標(biāo)，2015年起，賴錦盛率領(lǐng)團隊投入“基因剪刀”的研發(fā)工作。
賴錦盛將研發(fā)“基因剪刀”的過程概括為“兩步走”：先是在數(shù)量眾多的微生物宏基因組中尋找有潛力切割基因的“剪刀”，然后用實驗驗證哪一把“剪刀”能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)切割。
“研發(fā)工作無異于‘大海撈針’。”賴錦盛說，早期研究基因組學(xué)的經(jīng)歷幫助他在基因組大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)上取得突破。2021年，賴錦盛團隊成功研發(fā)出兩把屬于中國的“基因剪刀”——“基因編輯新型底盤核酸酶Cas12i和Cas12j”，彌補了中國在基因編輯底盤工具領(lǐng)域的技術(shù)空白，打破了國外的技術(shù)壟斷。
目前，Cas12i和Cas12j已獲得中國內(nèi)地、中國香港地區(qū)專利授權(quán)和日本專利授權(quán)，但賴錦盛仍不滿足：“Cas12i和Cas12j的編輯效率還有一定提升空間，對應(yīng)的衍生技術(shù)體系和應(yīng)用生態(tài)也尚待完善。此外，還需要研發(fā)更多新的基因編輯底盤工具，以滿足農(nóng)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域基因編輯多樣性和個性化的需求。”他說。
“定制”優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因作物
今年中央一號文件提出，要加快玉米大豆生物育種產(chǎn)業(yè)化步伐，有序擴大試點范圍，規(guī)范種植管理。
如何實現(xiàn)育種產(chǎn)業(yè)化？賴錦盛將科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化看作“相輔相成”的關(guān)系：“如果生物育種產(chǎn)業(yè)化跟不上，原始創(chuàng)新就會嚴(yán)重受阻；一旦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步入‘快車道’，不僅能借由市場檢驗技術(shù)成果，還能獲得更多經(jīng)費來反哺科研，進(jìn)一步提升我國種業(yè)研發(fā)能力和水平。”
自2021年轉(zhuǎn)基因玉米大豆產(chǎn)業(yè)化試點工作啟動以來，賴錦盛就持續(xù)關(guān)注生物育種產(chǎn)業(yè)化工作，他也通過研發(fā)轉(zhuǎn)基因玉米，身體力行地為這項工作提供技術(shù)支撐。
“我和團隊研發(fā)的抗蟲玉米ND207轉(zhuǎn)化體、耐除草劑玉米CC-2轉(zhuǎn)化體已經(jīng)相繼獲批國家生產(chǎn)應(yīng)用安全證書，在產(chǎn)業(yè)化試驗種植中，已選育出21個玉米新品種，其中2個成為我國首批轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化試點推廣種植品種。”賴錦盛說。
賴錦盛介紹，雖然中國生物育種已取得一定進(jìn)展，但目前獲批安全證書的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品目標(biāo)性狀相對單一，集中在抗蟲和耐除草劑，而產(chǎn)業(yè)化較早的美國等國家的產(chǎn)品還有抗旱、高產(chǎn)等多種類型。
“未來幾年，轉(zhuǎn)基因、基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化大有可為。我和團隊會面向產(chǎn)業(yè)需求，針對產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸繼續(xù)攻克科技難關(guān)，以基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究為源頭供給，持續(xù)推動玉米等作物生物育種產(chǎn)品的更新迭代。”賴錦盛說。
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