傅向东：让水稻少“吃”肥料多打粮

谈到中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究员傅向东，许多研究水稻遗传的人会想到一个名字:“遗传人”。

这与赤霉素有关，是傅向东的代表性研究方向。这种调节养分吸收和影响水稻产量的激素的首字母缩略词是“赤霉素”。虽然不乏嘲讽，但这个“绰号”也暗示了傅向东的成就和他一路上的坚持。

傅向东沿着这条路走了20多年，让水稻少吃化肥，多种粮食。他和他的团队的研究成果多次出现在《自然》和《科学》等国际学术期刊的封面上，将中国的水稻研究推向了国际前沿。他们的许多研究成果也被育种者采纳，他们从实验室进入这个领域，丰富了谷物储备。

"创新为民，汇泽五国."在傅向东的办公室里，中国科学院院士、小麦遗传学家、育种家李振声的题词非常醒目。“如果一个人能把个人利益与国家需要结合起来，实现自己的理想，帮助他人，这是一件幸福的事。”傅向东说道。

带着问题前进

今年2月初，傅向东的团队发现，提高水稻氮肥利用率的新赤霉素信号机制被登上了《科学》杂志的封面，引起了业界的极大关注。

从克隆水稻氮高效基因NGR5到基因功能验证和后续的分子机理分析，这项研究前后历时十多年。它使人们能够了解水稻如何感知和响应土壤氮含量的变化，从而调节水稻的株型和产量。

从在黑暗中探索到走向光明，这个故事从傅向东在英国约翰·英尼斯研究中心做博士后开始。2001年，傅向东在向英国皇家学会会员、牛津大学教授尼克·哈伯德(Nick Hubbard)学习时，重点研究了“绿色革命”的分子机制。

20世纪60年代，半矮秆作物育种引领了农业史上的“绿色革命”，使世界水稻和小麦产量翻了一番。

半个多世纪后，标有“绿色革命”的半矮秆水稻和小麦给农学家带来了新的麻烦。农民大量施肥不仅没有达到预期的增产效果，还带来了土壤酸化和湖泊污染等环境问题，其副作用日益突出。

“绿色革命”产量的增加和氮利用效率的降低之间有什么联系吗？当时，科学界没有答案。

针对这一问题，傅向东通过实验证明，半矮秆作物品种中赤霉素信号通路的阻遏物DELLA蛋白具有高积累性，使作物具有高抗肥、抗倒伏和高产的特点，但同时伴随着氮肥利用率的降低。这项研究的结果受到了极大的关注，哈伯德称之为“不可思议”

一个问题已经解决，更多的问题还在等着傅向东。我们能否在“绿色革命”品种高产的基础上提高氮肥利用率？如何在减少施肥的情况下增加每穗粒数和每株分蘖数？这些问题一直困扰着他。

傅向东突然意识到，如果他把自己的科研兴趣与国家需要结合起来，发现有趣而富有挑战性的科学问题，这可能是最好的选择。

做科学研究是非常愉快的。

机会来了。2004年，35岁的傅向东回到中国接受调查。当时，中国的分子生物学研究刚刚起步。遗传发展研究所的研究条件不是很好，但他看到了农业研究的希望。2005年，他毅然回国，建立了自己的实验室，放弃了此前对拟南芥的研究，转向了陌生的稻田。

傅向东一方面从我国广泛种植的“超级稻”中发掘并克隆了影响水稻高产性状的关键基因，另一方面寻找合适的突变基因。他的目标非常明确:超越“绿色革命”，减少农业中的高化肥消耗，通过分子育种突破产量的“上限”。

经过十多年的探索和努力，傅向东和他的团队的一些研究已经逐渐开花结果。

在水稻增产方面，他们克隆了直立穗基因DEP1，该基因可协同提高水稻产量和氮肥利用率，并发现了新的株型基因NPT1，该基因可增加每穗粒数和水稻产量。针对水稻“高产而不优质，优质而不高产”的矛盾，他们还发现了控制水稻产量和品质并共同促进的关键功能基因GW7、GW8和LGY3。

2018年，傅向东的团队发现了基因GRF4可以提高氮的利用效率。该基因能够协同调节碳氮代谢，促进作物生长和产量提高，为解决“绿色革命”矮化育种在分子水平上导致氮肥利用效率降低的育种问题提供了明确的解决方案。这项研究成果在登上《自然》杂志的封面后受到了国际关注。

在此基础上，付向东带领团队克隆了关键基因NGR5，该基因调节水稻分蘖和产量性状以响应土壤氮水平的变化。它们叠加了优良等位基因GRF4和NGR5，能协同提高作物产量、光合作用和氮素利用效率，为突破“少投入、多产出、环保”的育种瓶颈提供了具有重要应用价值的基因资源。

“精力充沛、锲而不舍、勇于创新”，这是伯哈德教授对傅向东的评价。尽管这位前中国留学生已经回国多年，但他们仍然保持着密切的联系与合作。

不仅如此，傅向东的团队还与国内农业大学、农业科学院和种子公司合作，将新发现的优良等位基因应用于育种实践，或将一些突破性的新品系(品种)提供给育种家或公司进行推广。

这些成就引起了国际上对中国水稻研究的关注。傅向东先后荣获“第十一届中国青年科学技术奖”、“大北农业科学技术奖”、“全国优秀科技工作者”、“中青年科技创新领军人才”、“谭生命科学创新奖”等奖项。

将来，我们还得更加努力。

如果把过去十年获得的所有优良等位基因加在一起，水稻产量能增加多少？傅向东坦言，目前实验室的研究产量很高，达到每亩800-1000公斤，但实际产量仍处于平均亩产450公斤的瓶颈。

“产量是一个复杂的性状，不仅可以由遗传因素决定，也可以由许多环境因素决定。”例如，他说，全球变暖将改善植物的光合作用，促进植物的生长和发育。但是植物和人类一样，“既吃素食，也吃肉”。它们也从土壤中吸收更多的水和矿物质元素。相比之下，中国北方的水资源短缺和化肥的过度使用正面临着解决这些问题的新挑战。

“这就是基因研究的魅力。”傅向东说，如何在不同的环境中发挥模块化分子调控网络的最大效应值？这是科学家或育种者现在应该更加关注的。

尽管做科学研究、写文章和解决问题既有成功也有吸引人的地方，但失败和挫折是不可避免的。傅向东也是如此。"每个实验室都有自己的烦恼。"植物细胞和染色体工程国家重点实验室主任付向东说，有些收敛。

一些学生申请到实验室做研究。傅向东曾经“威胁”他们说:“做科学研究比做农业研究更难。而且很有可能在五六年后一篇论文将不会发表。”他把“丑陋的话摆在他面前”，希望招募真正对科学研究感兴趣的人，以便他们在遇到困难时能坚持下去。

关于科学研究，傅向东的观点是:“如果你想做，就做第一，不要做第二，更不要做我。”为了报纸的出版，他要求必须有“一个完整的故事”。“发送文章不是科学研究追求的最终目标。认真做一件事，做好之后就会有文章。”他说。

正如要发表的论文数量少而精一样，傅向东的学生数量也少而精。到目前为止，他已经培训了20多名学生。他们在各自的岗位上都取得了很好的成绩。其中不乏年轻有为的人才，比如28岁的李山教授和“80后”青年研究员吴坤。

"中国一直处于国际水稻功能基因组学研究的前沿."傅向东说道。特别是，在过去10年左右的时间里，植物科学获得了越来越多的国际影响，但我们不应该为此感到骄傲。除了水稻，我国还有许多其他作物，如玉米和小麦，需要改良。因此，国际科学交流仍然非常重要。只有用别人来补充自己的优势，才能在弯道上超车。

傅向东表示，20世纪60年代的“绿色革命”推动了具有区域特色的农业发展，解决了发展中国家的粮食危机。未来50年，在全球化背景下，中国农业可持续发展和粮食安全仍将面临巨大挑战。在这种背景下，设计育种将在保持粮食安全方面大有作为。传统育种技术将不可避免地向目标更明确、育种时间更短、育种更准确的分子设计育种方向发展。

"要实现这一愿景，还有许多工作要做，这需要我们更加努力."傅向东说:“一定有梦想。只要你认识他们，就不要放弃。”