鐵元素是如何進入作物籽粒的

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33歲轉專業，37歲換研究作物；

分子生物學跟老婆學的，遺傳學跟學生學的；

不愛出差開會，一天不讀文獻就不舒服；

清晨6點多趕到實驗室，中午從來不休息，每天工作11個小時……

今年50歲的中國農業科學院作物科學研究所（以下簡稱農科院作科所）研究員李文學，雖然頭發幾乎全白，但眼神里始終透露著少年的朝氣。

20年前，為了探究微量元素如何進入作物籽粒，他開始了科研長跑。如今，這個問題終于有了答案。

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實驗用玉米。王一鳴攝

12月8日，李文學團隊聯合河南農業大學科研團隊在《科學》發表研究成果——他們鑒定到調控鐵進入玉米籽粒的關鍵基因，首次解析了其分子機制，有望培育出籽粒富鐵的玉米新品系。

“偶遇”生物學關鍵問題

“不讀文獻就會覺得心里空落落的，因為文獻是別人近幾年完成工作的載體。”擔心自己被落下，李文學讀文獻的習慣持續了20多年。

20多年前，李文學在中國農業大學教授、后來的中國工程院院士張福鎖實驗室讀博，是植物營養專業的學生。可那時，他老想著怎么能轉到生物學專業。

“從本科起，我就特別向往學生物學，那時候常說‘21世紀是生物學的世紀’。可我高考分不夠，被分到了土壤與農化專業。”即便如此，一直到讀博期間，李文學還是老老實實地打土鉆、取土樣，一絲不茍地跟著課題組研究土壤里的元素如何與根系互作，把導師交代的工作竭盡全力做到最好。

“張老師那時候已經關注到了微量元素的生理機制問題。”2000年，李文學為了從事生物學相關研究，開始自學分子生物學，學微生物的妻子成了他的老師。他默默地啃書本、讀文獻，惡補生物學知識。

2003年，李文學回到中國農業大學工作，開始研究玉米、花生間作體系中缺鐵脅迫的應答機制。在實際研究中，他開始思考一個問題：微量元素究竟是如何進入作物籽粒的？

微量元素對生命體而言不可或缺。但微量元素如何在植物體內傳遞，并進入和儲存在籽粒之中，一直是懸而未決的難題。“我當時就感覺這是一個非常重要的生物營養學問題。”李文學說。

在張福鎖的支持下，2006年，李文學到美國公派訪學，正式轉向分子生物學研究。那一年，他已經33歲了。

李文學每天“朝七晚九”，中午只留30分鐘吃飯，周末不休息。實驗室里所有老師和學生都是他求教的對象。經過一段時間的積累，李文學開始在花生、玉米間套作中微量元素的根際互作領域發表論文，這在當時已屬于前沿課題。

與此同時，李文學開始利用模式植物擬南芥研究植物體內微量元素的運輸和分布問題。這為后來他在玉米籽粒中尋找微量元素奠定了基礎。

從擬南芥到玉米

李文學笑稱自己是“社恐”——和陌生人打交道時喜歡往后退，還沒等對方拒絕就打退堂鼓。可一提起課題的事，他就兩眼放光，講得津津有味。他覺得自己的性格適合搞科研，能靜下心來深究問題，不輕言放棄。

2010年10月，他來到農科院作科所，和比他早兩個月到崗的課題組組長、研究員徐云碧聯手建立實驗室。他們有一個目標——研究平臺絕不能比美國差，因為他們深知實驗室對科研產出成果的重要性。

儀器、材料，采購、布置，李文學都親力親為。實驗平臺搭建好后，李文學正式開始了玉米研究。

“李老師剛來的時候做擬南芥研究，要轉到玉米上挺難的。”徐云碧說。

難就難在擬南芥是一個基因組非常簡單、研究方法非常成熟且易操作的模式植物，而玉米的基因組復雜得多，要使用更多遺傳學手段。

“什么是基因型，我曾經在一次學術會議上被問住。玉米雜交實驗要計算性狀分離的比例，我那時候總是算不清楚。”為此，李文學把學生當成老師，把遺傳學經典著作認真學完，有問題就請教學生，“很快就搞明白了”。

從擬南芥轉到玉米，這一年，他已經37歲了。

彼時，玉米基因組被破解不久，相應的基因組學技術還處在成本高昂的時期，克隆出一個基因得花幾年時間。微量元素如何進入玉米籽粒的機理研究，進展緩慢。

盡管如此，李文學團隊仍然耐心收集玉米種質材料。最終，他們從各地收集了幾百份玉米種質材料，并篩選出273份，構建了試驗用玉米群體。

突破性進展：兩個人的實驗室

論文第一作者、農科院作科所博士后閆鵬帥2017年以河南農業大學聯合培養博士生的身份進入李文學課題組，并接手了微量元素進入玉米籽粒的課題。

那時，相關的基因組學技術發展得較為完善，費用也“平易近人”。李文學感到這個課題可以快速推進了。

閆鵬帥在李文學的指導下，分析了玉米群體里273份玉米籽粒的微量元素含量，發現鐵元素呈現一個標準的正態分布。“這意味著用這個群體很有可能找到一個調控鐵元素進入玉米籽粒的基因。”李文學知道，當時還有幾個團隊也在研究微量元素進入作物籽粒的機理，但他們構建的玉米群體篩選出來的是銅、鉬等微量元素，沒有鐵。

鐵缺乏是一種“隱性饑餓”。全球大約有1/3人口受到缺鐵引起的貧血癥困擾。根據第四次全國營養調查的數據，中國居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。雖然通過服用補鐵劑等手段可以改善鐵營養狀況，但是成本較高，甚至存在副作用。

“如果能將日常食用作物的鐵含量提高，有助于低成本地改善大范圍人群的鐵營養狀況。”李文學覺得，這對于發展中國家意義重大。

突破性進展出現在新冠疫情暴發的那段日子。那時，“被困”的李文學和閆鵬帥徹底靜下心來，每天做實驗、一起討論……閆鵬帥遇到難題時，李文學就從文獻里找靈感，向他推薦他人的思路和做法，閆鵬帥再一步步嘗試這些方法。漸漸地，實驗中的癥結顯露出來，解決問題的辦法越來越清晰。

李文學（左二）和團隊成員在實驗室。王一鳴攝

“我們往前走了一小步，所以找到了答案。”李文學讓閆鵬帥從正態分布曲線上選取鐵含量最高和最低的3份玉米籽粒材料，一個個地進行RNA測序，而不是把它們混合在一起測序。

“那天我拿到報告，初步鎖定了一個參與調控玉米籽粒鐵含量的候選基因。”閆鵬帥非常興奮。李文學也感到前所未有的振奮。他回憶說，這種感覺即便在得知論文被接收時也沒再出現過。

他們進一步解析了候選基因ZmNAC78如何幫助鐵元素進入玉米籽粒的分子路徑。為了探索該基因在育種上的應用，他們在不同pH值的土壤里分別進行對照實驗，發現具有優良候選基因的玉米籽粒鐵含量比對照組平均高出25.82% ~ 33.91%，并且所選育的玉米材料顯著高于國內雜交玉米品種每公斤18.5 毫克的籽粒平均鐵含量。

富鐵玉米：解決“隱性饑餓”的新選擇

2022年，李文學開始寫論文。他很清楚要寫一篇什么樣的文章，投稿目標是一本高影響因子的期刊。

3個月后，他寫好了第一稿。華南農業大學教授儲成才讀完初稿后，建議他多從期刊編輯的角度看問題。一個月后，李文學拿出了更滿意的版本。

李文學把論文投給《科學》雜志。第六天晚上，李文學收到了編輯回信，要求他們提供論文的word版本。“有戲！”李文學當天就給編輯回復了郵件。第二天他們就收到了論文送審的答復。

經過幾個月的修改和忐忑不安的等待，他們終于得到了論文被接收的消息。論文評審專家認為，鐵進入作物籽粒的路徑幾乎是完全未知的，他們的結果首次解析了該過程。

儲成才得知這一消息后表示，這一成果不僅為培育高產與營養協同作物新品種提供了基因資源，也為解決缺鐵性貧血這一“隱性饑餓”的世界難題提供了新的解決方案，意義重大。

長期關注分子育種的徐云碧認為，這項成果應用了分子育種技術，是他所了解的基礎研究工作中跟應用結合得非常密切的一個項目。

李文學第一時間給張福鎖發了一條微信：“我今天終于敢向您匯報我的工作了。”張福鎖很快回復說：“感謝你一直以來的堅持不懈，感謝你解決了鐵元素如何進入玉米籽粒這一懸而未決的植物營養學難題。祝賀你！”

李文學表示，他們已經利用傳統育種手段培育出了富鐵玉米新材料，有望為解決鐵等微量元素缺乏的“隱性饑餓”問題提供新的選擇。

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