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赵书红:寻找改良种猪遗传密码的人

中国科学报 2021-11-10 作者:李晨

  从事猪遗传育种研究近30年,华中农业大学教授赵书红默默耕耘着。

  “一个人一辈子专注地做一件事,在一个方向上进行系统深入的研究,这样才可能有比较有价值的发现。”赵书红告诉《中国科学报》,这是她在国家自然科学基金委员会长期支持下得到的一个深刻体会。

  正是在这样的延续性支持下,“我的研究方向没有变过,始终坚持结合新的技术发现和解决新的科学和行业需求问题,不断取得新的成果。”

  在一个方向上做系统深入的研究 

  我国猪种类多样,资源丰富,地方猪种和商业猪种差异十分明显,地方猪好吃,抗病,但长得慢,肥肉多,而商业猪种生长快、瘦肉率高。所以,研究产肉性状差异形成的分子机理一直是猪遗传育种领域的重点课题。

  1998年,赵书红被华中农业大学破格晋升为副教授。正是同年,她第一次成为基金委资助的科研人员。首个国家自然科学基金项目主要致力于用当时最新的技术手段找出两类猪种的差异,旨在发掘二者的优良基因并在育种中应用。

  “第一份国家级资助对我的整个科研生涯发挥了重要的启动作用。”赵书红说,假如当初没有获得这份基金资助,她可能就不会走上基础研究的道路。

  20世纪90年代,国内猪种选育主要采用基于系谱和表型数据的传统方法,而在国外,分子标记辅助选择等新方法已正式投入应用。赵书红看在眼里,急在心上:“在世界范围内,育种竞争从未停止,我国种猪育种基础本来就薄弱,如果技术又落后,怎么和国外竞争?”

  “地方猪品种和商业猪种的产肉性能差异非常大,这种差异从根本上是由基因组的差异造成”,但当时猪基因组尚未破译,只能通过基因组消减杂交等方法寻找基因组的差异,效率很低。实际科研体会让她意识到,学习、掌握最新的基因组学技术,甚至成长为有能力创新组学及育种新技术的人方可解决当初设立的宏伟目标。

  一路走来,她不忘初心,动物遗传育种的科学价值在于解析性状的遗传规律和遗传改良的原理,进行动物基因组学和育种技术创新,为生产性能测定、育种规划、遗传资源保护与利用、品种(系)培育等研究和应用进行理论和技术支撑。赵书红强调,动物遗传育种在提升养殖业源头——种源质量方面发挥核心作用,进行动物遗传育种理论和技术创新在解决动物种业重大科学技术问题与需求方面具有重要意义。

  而这恰恰是国家非常重视的科研方向,也一直是基金委资助重点之一。她的前期工作得到了基金委评审专家的认可,她获得了持续资助。

  在这样的稳定连续支持下,赵书红没有了后顾之忧。为了在家猪基因组学研究领域实现从追赶到超越的目标,2000年,她前往世界猪遗传育种研究领先的美国爱荷华州立大学作访问学者,一待就是四年半。

  其间,她参与研发了国际第一代猪的长寡核苷酸基因芯片。针对当时猪基因表达检测效率低、一次检测的基因数量少的瓶颈问题,为当时猪已知的每个基因设计一段70bp左右的核苷酸片段,通过机械手操作点制在固定玻片载体上,首次实现了基因表达谱的万级(10^4)高通量检测,为猪功能基因筛选及分子育种标记挖掘提供了新技术和工具。

  2011年,她入选唐氏基金学者,再次赴美国康奈尔大学访学。多年的国外研究和工作经历,让赵书红开阔了视野,思维站在了国际最前沿。

  2012年,和国际同行一道,参与破译了猪基因组的序列图谱与初步功能注释,并以封面文章形式发表于《自然》杂志。猪基因组序列的破译,意味着猪育种真正迈入了基因组育种时代。此刻,她敏感地捕捉到了实现超越的机会。由于猪基因组功能解析滞后,导致猪基因组的功能位点与中性分子标记无法区分,基因组育种无法充分利用调控区域和功能位点信息,影响了利用基因组信息提升育种的效率。

  紧紧抓住竞争时间窗口,赵书红利用自己多年的积累,带领培养的团队建立了猪调控组学技术,在国际上率先绘制出涵盖品种信息和组织类型最广的猪基因组精细图谱,大规模鉴定了调控元件及功能突变位点,为应用功能突变位点提升猪基因组育种效率奠定了基础,相关成果在线发表于《自然—通讯》。

  有了基础数据必须立即推向应用才能快速体现科研的价值。面对海量育种数据无法处理的瓶颈,她带领团队创建猪整合组学基因挖掘技术,解决了分子育种标记挖掘效率低的难题,鉴定了一批猪重要经济性状基因和标记;针对基因组育种自主算法、工具缺乏的问题,她又带领统计基因组育种团队研发出准确性高、计算速度快的育种值评估新方法,并开发出能够高效处理百万级群体大数据的基因组育种工具,建立了自主知识产权的基因组高效育种技术体系,克服了国产工具面临算法、软件双重知识产权的问题,并支撑合作企业显著提升育种效率。

  “在国家杰出青年基金等多个基金项目的支持下,我和我的团队一直持续研究猪基因组与育种理论和技术至今,可以说是国家自然科学基金支持并陪伴了我的整个科研生涯,培养了我。”她说。

  基础研究为扶贫攻坚贡献力量 

  “对于畜牧学科来讲,既要做与国际同行同台竞争的、偏向基础研究的‘顶天’研究,也要做对国家产业和社会实用的‘立地’应用推广研究”,赵书红通过地方猪遗传资源挖掘与开发利用,建立了适合当地生产条件的地方猪杂交生产体系,助力地方政府发展特色畜牧养殖业,带动贫困地区农民增产增收,在国家级贫困地区脱贫攻坚中发挥了不可替代的作用。

  恩施黑猪肉质鲜美、耐粗饲,但生长速度慢、瘦肉率低。湖北恩施咸丰县地处武陵山区,不适合建大规模养殖场,家家户户依然保留着养恩施黑猪的习惯,黑猪养殖也成为当地的重点扶贫产业。

  由于缺乏技术指导,当地养殖户的纯种养殖占很大比例,部分脑袋灵活的农户开展了以黑猪为母本的杂交生产,但黑猪杂交生产操作很不规范,导致产仔数低下,商品猪毛色混杂,卖价低,养殖效益低下。

  为了解决这个问题,必须建立规范化的杂交生产模式,而这需要搞清楚黑猪猪肉品质、产仔数等性状参数。“基础和应用基础研究的最终目标还是为应用服务的,只有了解了这些种质资源特征,才能做好黑猪的杂交工作。”赵书红解释说。

  当时,她正在参与基金委支持的一个国家基金重大项目“中国地方猪种成肌与肌内沉脂的遗传机制解析”,并主持四个课题之一“地方猪种成肌与肌內沉脂重要遗传参数评估与应用”。这恰好为规范化的恩施黑猪杂交模式建立提供了基础研究依据。

  在该项目支持下,赵书红指导制定了以恩施黑猪为母本的两种规范杂交生产模式,瞄准高端和中高端市场,标准化地生产出迎合市场的产品,提升了恩施黑猪养殖效益,显著增加了当地农户的收益。

  为了实现恩施黑猪产业的可持续发展,赵书红团队积极参与了农业农村部在咸丰县恩施黑猪资源保护场的建设。“我们的科研工作主要是防止近交衰退。不过,从上游到下游,从纯种到核心群,到扩繁杂交,生产肉猪,我们团队其实是一条龙式‘服务’。”

  2020年年底,全国脱贫攻坚进入决胜阶段,她又带着团队教师与咸丰县畜牧局负责同志一起走访贫困户以及养殖公司,解决生猪繁育技术问题。随行的青年教师马云龙说:“扶贫是个良心活,赵老师做得特别走心,完全不求回报,这对我触动特别大。”

  恩施黑猪是很好的地方资源,又是当地的重点扶贫产业。赵书红带领团队对恩施黑猪保种工作开展攻关,示范带动咸丰县上万户建档立卡贫困户开展黑猪养殖,养殖业脱贫贡献率达57%。

  为社会创造价值是科学家的核心价值 

  “我认为科学家精神最重要的特征是使命感。面对我国种业重大需求和激烈国际竞争,发挥团队力量进行攻关,克服畏难情绪,能够坐冷板凳,针对瓶颈问题深入开展研究,这就是科学家精神。”赵书红说,她带领团队研究猪的调控元件鉴定,从技术建立到得到结果,前后花了快5年时间。

  从破格晋升的副教授,到团队带头人,30多年来,赵书红得到了多项基金资助,这让她的工作始终围绕团队关注的科学问题不断前行。

  在赵书红看来,“团结协作,支持年轻人脱颖而出,经费向年轻人倾斜,支持他们创新,团队中不断有年轻学者产出创新性成果,得到国际国内同行认可,也是科学家精神的体现。”

  在赵书红的团队中,优秀的博士如果愿意做博士后,她就鼓励和帮助他们去申请国家青年基金,支持他们成长和研究。

  这是因为,“基金项目的申请有一定自由度,可以根据自己感兴趣的问题去申请。在这一点上,基金非常尊重科学家的科研兴趣和科研自由。”她说。

  青年教师刘小磊博士毕业刚加入团队时曾有一个迷茫期。“赵老师一直给我鼓励。有一次申报人才项目,她亲自帮我改PPT,还把团队其他老师召集起来,让我做模拟答辩,前后磨了十几轮。”

  经过这件事,刘小磊领悟到,团队的凝聚力不是没来由的,“赵老师心胸开阔,对每个青年教师和学生都是这样,这样的领头人才能组织大团队,才能做大科学。”

  在榜样的感召带动下,猪基因组研究与遗传改良创新团队先后入选湖北省自然科学基金创新团队、教育部创新团队、农业农村部创新团队。团队李新云教授今年获得国家杰出青年基金资助,一批青年才俊脱颖而出,成为学科骨干。

  “全国同行动物遗传育种基础研究水平和人才培养的提升主要来自于基金的资助,基金稳定了一大批科研人员和研究生所组成的基础研究队伍,而且还造就了一批本领域学科带头人。”赵书红说。

  从当年拿到第一份基金资助的青年科学家,到参与基金项目评审,赵书红坦言,公平公正是她与基金项目结缘过程中最深刻的体会。

  “鼓励探索、突出原创;聚焦前沿、独辟蹊径;需求牵引、突破瓶颈;共性导向、交叉融通,以此来强化基础研究。”赵书红说,“负责任、讲信誉、计贡献”,基金委有一整套机制来遴选和监督评审专家的工作。

  她认为,基金项目的评审专家,不仅要做到公平公正,还要督促自己经常学习和了解学科的前沿动态。她说,不脱离科研一线,才能具备选出好项目的能力。

  “科研工作者要有追求卓越、敢于创新的精神,要专注、勤奋,为实现我国科技自立自强做出应有的贡献。我们进行猪遗传育种研究,就是要为我国生猪种业提供有价值的理论和真正能够落地的具有原创性的先进技术,推动种业科技水平和种猪质量提升。”赵书红认为,为社会创造价值是科学家的核心价值。

责任编辑:王超

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