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田志喜:

“为中华大豆之崛起而奋斗”

河北日报记者 周聪聪

田志喜近照。 河北日报记者 周聪聪摄

石家庄市藁城区梅花镇朱家庄村,农户驾驶农机收割大豆(无人机照片)。 新华社发(梁子栋摄)

【阅读提示】

不久前,在北京举行的2021中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛,发布了10项2020年度我国农业基础研究领域取得的引领性、开拓性、突破性重大进展。

河北望都籍科学家、河北农大校友田志喜的“首次绘制大豆图形结构泛基因组”位列其中。

一粒种子改变一个世界。

作为中国科学院遗传与发育生物学研究所的一名研究员,田志喜从立志研究大豆至今,在创制革命性的大豆品种这条路上已经探索了十年,做出了一系列重要的创新性成果,如今,已经成为该领域最具国际学术影响的科学家之一。

而他本身的经历,也是中国农业基础研究一路向前的缩影。

双管齐下“撬动”大豆革命

“和现在火爆的高校新生‘平均脸’一样,我们找到了大豆的‘平均脸’。以后我们就能通过比对它,来识别大豆材料的高产和优质基因。而且相比传统的办法,我们搭建的比对模式更加准确高效。”

2022年1月4日,中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)研究员田志喜推推眼镜,沉思片刻,通俗易懂地把他们关于大豆泛基因组的最新研究进展“翻译”出来。

2020年6月17日,生命科学领域的世界顶刊《细胞》杂志在线发表了这项研究成果。

该项成果突破了传统线性基因组的存储形式,在植物中首次实现了基于图形结构基因组的构建,将引领全新的下一代基因组学研究思路和方法,被审稿人称为“基因组学的里程碑工作”。

不久前,该研究又被列为2020年度我国农业基础研究领域取得的10项引领性、开拓性、突破性重大进展之一。

田志喜来自河北望都,他不仅是地地道道的河北人,而且本科和研究生都就读于河北农业大学,今年46岁。

在普通人看来,这样的年纪放在科学家的圈子里,显得有些年轻。但凭借在大豆种质资源演化遗传基础、重要农艺性状调控网络解析和分子设计育种方面做出了一系列重要的创新性成果,如今,他已经成为该领域最具国际学术影响的科学家之一。

画出大豆基因组的“平均脸”,有望为大豆的育种改良按下加速键。不过,在田志喜的“大豆梦”里,这仅仅是第一步。

田志喜的实验室位于遗传发育所6楼。进入办公室前,一出电梯,就能看到一幅醒目的标语——“为中华大豆之崛起而奋斗”。

这是田志喜给自己和实验室团队成员立下的目标和口号。

2011年,田志喜入选中科院“百人计划”,结束美国普渡大学的博士后工作,回到遗传发育所成立团队。前3个月,他一直在为一个合适提气的口号冥思苦想。

“开拓进取”“守正创新”……小黑板上的字写了又擦,擦了又写,直到写上这句“为中华大豆之崛起而奋斗”。

十多年了,实验室的口号再没变过。

大豆,中国重要粮食作物之一,在我国已有5000多年栽培历史。

但在实验室成立之初,选择研究大豆,田志喜是咬了咬牙才下定的决心。

“大豆不像水稻和小麦经历过‘绿色革命’,在过去的60年里,大豆平均单产相对其他主粮作物没有明显突破。而且相比国外,我国的情况更严峻,平均亩产也只有国外的三分之二左右。这种现状,会直接造成科研相关信息少、基础研究体系不成熟等问题。”

田志喜说,好比组装一辆汽车,人家组装燃油车,前期基础好,好多零件都有,需要什么能直接拿来用,而且还能选择最好的零件来用。可你如果是组装一辆全新的概念型新能源车,每个零件都得是自己来做。

但不容忽视的现实是,国产大豆严重不能满足需求,对外依存度超80%,对我国大豆产业形成了极大的冲击。加强大豆研究,提高大豆生产能力迫在眉睫。

“做小麦、玉米是锦上添花,做大豆却是真正的填补空白,而且是国家现在最急需的。”就这样,凭借着对大豆重要性的初步认识,田志喜决定挑战一下。

田志喜最初的计划是,“前5年做基础,以后全力做大豆固氮研究”。然而,面对中国大豆供需矛盾日益凸显,尤其是中美贸易摩擦给我国大豆安全带来的影响,田志喜很快调整了计划,决心创制革命性的高产大豆新品种。

在他看来,这能为国家做出更大、更直接的贡献。

但高产大豆品种培育,并不是田志喜这个“大豆计划”的全部。

山东东营黄河三角洲是一片含盐量高达0.5%的重度盐碱地,几乎寸草不生。

但2021年秋天,这片“不毛之地”却迎来了丰收。

田志喜和团队培育的两个大豆新品系,TZX-1736、TZX-805以亩产264.8公斤、263.3公斤,创造了耐盐碱大豆新品种的亩产纪录,这样的成绩甚至远超2020年我国普通耕地大豆平均亩产。

“当前我国大豆面临的主要瓶颈是单产低和耕地不足。提高国内大豆自给率,不外乎两种途径:一是提高单位面积的产量,二是扩大种植面积。”

田志喜介绍,除了18亿亩红线耕地外,我国还有11.7亿亩的盐碱、滩涂、寒区和旱区等边际土地可能可以被改造利用,这为我国大豆发展提供了新方向。

“如果通过种质创新让现有耕地的大豆单产翻一番,就有望实现40%-50%的大豆自给率。”在东营试种成功坚定了田志喜推广种子的信心,目前除了东营,团队还在新疆、黑龙江等地布点开展高产大豆研究,这两年测产产量都呈现出增加态势。

不断“跨界”拓展研究舞台

“田志喜的研究选题面向世界科技前沿、面向国家重大需求,服务经济社会发展。”田志喜在河北农大的师兄、河北农业大学园艺学院党委书记陈雪平表示,田志喜把分子生物学、基因组学等基础研究和大豆育种实践结合在一起,解决了技术瓶颈背后的核心科学问题,换句话说就是通过“顶天”的研究解决了“立地”工作中的产业难题。

但这样的“跨界”,对一位科学家来说同样意味着巨大的专业挑战。

2003年,田志喜进入中国科学院大学攻读博士学位,研究方向为分子生物学。但此前他的本科和硕士都就读于河北农业大学的果树栽培专业。

很多人可能觉得,田志喜的博士方向没有脱离农业,这点“跨界”不算什么。但在农业研究领域,两个方向大相径庭——果树栽培,更多的是从栽培手段上,研究怎么调控果树生长、怎么调控果实衰老等,分子生物学则着眼于微观,从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质。

但令田志喜没想到的是,博士没上多长时间,还没来得及砸实分子生物学的知识,他就被安排了个“非常超前”的课题。

课题的内容,就是现在普遍应用的植物关联分析。

但在当时,这还是个创新的概念,甚至连田志喜的博士导师、中国科学院院士李家洋也没有成熟的想法,只是认为“可以往这个方向试试”。

但田志喜却给这位院士导师带来了足够的惊喜。

在恶补分子生物学知识的基础上,田志喜创造性地综合了群体遗传学、数据统计学等多学科知识,甚至还捡起本科时选修过的计算机课程,学习写算法对数据进行统计,2007年博士毕业时做出了成果。这也是我国第一次在植物中开展的关联分析。

“当时做出来后,李老师非常谨慎的,一直没敢发,最后还是找国外相关领域的教授把了关,对方表示这是一篇很好的成果,2009年才发出来。”田志喜笑着说。

“田志喜很聪明,又很本分踏实。本科毕业后,直接推免上的研究生。硕士毕业,论文还被评上全校的优秀论文。”谈起这位“开门弟子”,田志喜的硕士导师、河北农大园艺学院教授张玉星说。“他碰到难题,从来不是摆困难,总是调动自己能想到的一切办法解决问题。而且对科学研究有强烈的好奇和学术追求的冲动。”

2000年研究生毕业后,田志喜被留在河北农大任教。

但一年后,一次被借聘到国家自然科学基金委的机会,让田志喜看到了接触分子生物学、分子遗传学这个全新领域的机会。

“基础研究是时代的前沿,当时就觉得基础研究真高大上啊。”当时的田志喜意识到,只有深入到基础研究,才能对应用领域“知其然,知其所以然”。

就这样,田志喜决定放弃当时的“金饭碗”,继续读博。

“我们果树上搞育种,都强调‘早期性状筛选’,哪个是优良品种其早期性状就有所表现。田志喜那时候一看就是个好苗子,这样的人注定应该属于更大的舞台。”张玉星表示。

2007年博士毕业后,田志喜前往美国普渡大学一个实验室从事博士后工作。但初到这里,他却遭遇了前所未有的困难。

田志喜博士期间所在的实验室优势是分子生物学研究,国外博士后合作导师擅长基因组研究。他给田志喜安排了更多分子生物学的课题,但是田志喜原来在国内做的是关联分析的研究,分子生物学对田志喜而言不是一个擅长的领域,科研进展很不顺利。

田志喜至今记得,那年普渡大学所在的印第安纳州经常下大雪,他在齐膝深的雪中艰难前进,一如他当时的心境。这样煎熬了3个月后,他向合作导师提出白天做分子生物学实验,晚上自学生物信息学和基因组学相关内容,拓展研究领域,从而使得不同领域更好地融合。

“那时,我经常发愁,整晚睡不着。”靠着加班加点自学,田志喜终于在专业上与合作导师同频共振。仅仅9个月,便写出了一篇基因组方面的高质量论文。而这,也是这个“新开张”的实验室第一篇有影响力的论文。

4年后,田志喜凭借卓越的科研实力入选中科院“百人计划”,回国开始了独立探索的科研生涯。

“我赶上了中国农业基础研究的好时代”

走进田志喜的实验室,有科研人员正埋头用镊子仔细地将大豆种子整齐地码放在培养皿上,另外两间屋子里,数百个20多厘米高的大豆植株在控温控湿的实验柜里,绽放着新绿。

这里,保存着超过10万份大豆材料,是目前拥有世界上规模最大、种类最全的大豆基因组数据的实验室之一。

回国的十年,田志喜直接感受和见证着国内基础研究投入力度和实力的上升。

“我博士毕业那会儿,身边的师哥师姐们,几乎都出国了。因为搞基础研究,当时还是国外先进。”2011年,田志喜决定回到国内,更主要的原因是照顾年纪越来越大的老父亲。

但真正回国后,田志喜越来越坚信,回国是对的。

“中科院给回国人员的政策非常好,一来我就有了自己独立的实验室。”

在普渡大学做博士后工作时,田志喜加入的是一个“新开张”的实验室,全程参与了实验室的创建工作。2011年,从早年令人神往的基础研究实力雄厚的美国回来,田志喜在国内筹建实验室的过程中却感觉“没有任何落差”。

来到中科院遗传发育所的第二年,他便参与了一个“超级大项目”。

这个项目有多大?

“足足10个亿。”

虽然项目已经结束了3年多,田志喜提起时依然难掩激动。

2012年,中科院为推动分子模块育种,从基础研究、技术研究、品种培育等方面筛选了12个课题,共计投入10亿元。这是中科院对基础研究和大的科研项目进行的一次大的战略先导性布局。

当时年仅37岁的田志喜,是其中一个课题的负责人。

“10个亿的大项目,我们光写前期论证的本子,就写了一年多。”最紧张的时候,田志喜4天3夜,仅仅睡了8个小时。但田志喜却深深感谢这次经历,因为“我们通过大量的资料查询和反复的专家论证,更加明白了国家到底需要什么”。

也正是这一次,让田志喜对我国发展基础研究的决心和自己的使命有了新的认识。

“原来我们可能更多的是把基础研究当成自己的专业追求和个人的职业规划,但现在我却越来越意识到,发展基础研究是一项国家战略。”田志喜说。

2018年美国挑起贸易战,中美贸易摩擦加剧。在日趋紧张的局势下,中科院提出:“我们是不是要重新思考大豆了?”

于是,田志喜被任命为紧急情况下重点部署负责人,进行“大豆高产稳产分子基础与品种培育”研究。

田志喜觉得自己“一直很幸运”。因为“恰好赶上了国内基础研究上升的起点”。

“放在十多年前,我们可能会说从国外回来有落差,但现在,除非是和一些世界顶级的实验室相比,国内国外在实验条件上几乎没有什么区别了,甚至有些地方还要好一些。”田志喜笑着说。

其实,不仅是遗传发育所这一个平台,田志喜同样感受到了我国基础研究整体科研实力的上升。

破解大豆育种“密码”,首先需要建立基因资源的“蓄水池”。但种质资源的收集、评价是个“时间活”,大豆在不同生态区表现非常不一致。对一个种质资源进行比较全面的评价,需要在不同地点不同年份重复鉴定。

正是多亏与国内10余个大豆研究团队的协同合作,田志喜团队才得以在3年时间里,在黑龙江、江西、北京、天津、河南、安徽等地对800多份种质开展了系统评价。

而且田志喜作为首席科学家申请的中科院重点部署项目“大豆高产稳产分子基础与品种培育”,也是联合了东北地理与农业生态研究所、植物研究所、华南植物园、分子植物科学卓越创新中心等10余个团队。

多年的勤奋耕耘和创新研究让田志喜收获了各种荣誉。

他先后获得“中国科学青年之星金奖”“第十四届中国青年科技奖”,受到国家“优青”“杰青”等项目资助,被评为“中青年科技创新领军人才”,第十三届“谈家桢生命科学创新奖”;第三届腾讯“科学探索奖”……

但田志喜却始终觉得这些成绩不能完全归功于自己,因为“我赶上了中国农业基础研究的好时代”。