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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2007, 19(3): 254-
植物“分子育种”的创始人——周光宇
龚蓁蓁
中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所,上海 200031
     1952年,周光宇博士响应国家号召从比利时回国。1952-1957年她在北京市生物制品研究所工作期间建立了生化研究室,并研究确定了生物制品的一些生化法规,解决了生产上血清蛋白沉淀等一系列问题,同时培养了我国首批生物制品生化人员,曾获得1954年北京市劳模称号。
      1957年王应睐先生为了弥补生物化学研究所微生物学专门人才的空白,争取到周光宇来所参加工作。她到生化所后充分利用生化的理论和技术,指导发酵生产研究的探索工作。曾用不到一年时间完成了“甲烯琥珀酸”发酵的研究。接着她通过查阅国外文献和对国内“谷氨酸发酵”(谷氨酸的单钠盐即味精)现状的调查,发现当时日本已用谷氨酸发酵法生产味精,成本低,在国际市场上有相当大的竞争力。而当时我国味精生产还仍然采用面筋盐酸水解法进行,不仅生产成本高、产量低,而且生产劳动条件特别差。由于工人长期接触盐酸气体,身体健康受到极大危胁,特别我国在国际市场上的品牌“佛手牌”味精将失去优势。当时在我国大跃进的形势下,又是为了解决“粮食多了”怎么办?周光宇决定开展“谷氨酸发酵”研究。发酵没有菌种,她就和北京大学生物系合作,发动学生采集标本分离菌种,建立了定性分析谷氨酸的方法,通过大量的菌种筛选获得了可进行发酵试验的菌种。在有了菌种的情况下,她又组织与上海天厨味精厂和上海轻工业研究所科研人员的协作研究。通过对发酵条件的艰苦研究,建立了从发酵液中定性和定量分析谷氨酸以及从发酵液中分离谷氨酸等技术。
      当时,她的研究获得了当时国际上摇瓶产谷氨酸的最高水平,表明了我国谷氨酸发酵已达到了能大规模工业生产味精的水平,促进了我国味精的工业生产。同时,也为我国培养了一批科研人员,为我国20世纪60年代味精发酵工业奠定了坚实的基础。为此,周光宇1959年被评为我国首届全国“三八”红旗手,谷氨酸发酵的有关论文1959年被评为上海市优秀论文。1978年“谷氨酸发酵”获中国科学院与上海市的重大成果奖。
      20世纪60年代初期,我国遭受了三年自然灾害,周光宇比过去更深刻地意识到农业是我国国民经济的基础。传统的农业育种技术已满足不了提高农作物的产量和质量的要求,迫切希望有新的育种技术。70年代初期,国际上出现了微生物的基因工程,虽然当时以高等生物为材料的研究尚未开始,但她已意识到当分子生物学发展到基因工程的出现,可能成为植物育种从自然选择、杂交育种、远缘杂交之后进入了农业育种与分子生物学科结合发展的时代。它不仅可以打破有性杂交的屏障,更可能组合来自任何生物的基因或人工合成的基因,广泛地扩大基因库,为农业定向育种开辟新途径,向农业现代化进军。而当时要在国内开展基因工程的研究在技术操作和设备方面都存在很大的困难。她认为如果着重紧跟国外文献,单纯地发展基因工程研究课题,投资不少,还受缺乏有效基因及其表达元件的限制,很难达到预期的生产效益。她提出我们开始的研究路线是反文献之道而行之,要先发展具有生产效益的分子育种成果,再从中进行有效基因的识别、分离和重组研究。这就可能解决有益基因的来源问题,可能自由地发展与基因工程结合的分子育种,达到广泛扩大生产的目的,但研究从何处着手呢?
      为了实现农业分子育种的设想,周光宇1974年开始了对农业育种的调查,重点对国内远缘杂交成功的粮食作物,如玉米稻、高梁稻、竹子稻进行了调查研究。人们早已知道远缘亲本间的染色体结构从总体上说是不能亲和的,也就是说这种杂交是不会成功的。但为什么在我国有很多远缘杂交成功的作物呢?为了搞清这个疑问,她曾去广东、广西、江苏、浙江、吉林、湖南、辽宁和北京等省(市)的农业大学、农业科学院向育种学家和遗传学家请教和共同讨论,向有着实践育种经验的农民学习。她还曾亲临海南岛的育种基地在烈日下的大田里亲自操作杂交育种。
      通过对远缘杂交的调查实践,她从分子生物学角度分析和总结出了一种远缘杂交现象(即稳定杂交子代与母本比,变异很小,光学显微镜下观察染色体的数目、大小和形状与母本相同,但表型的变异可以遗传)的基础上,提出了DNA片段杂交理论,其认为虽然远缘亲本间的染色体结构从总体上说是不能亲和的,但部分基因间的结构从进化角度来分析有可能保持一定的亲和性,当远缘花粉的基因组进入母体(受体)后,部分分解成的DNA片段(基因或调控顺序)有可能被整合进入受体染色体,引起子代的遗传变异。这种使外源DNA片段(基因)进入另一种植物而引起的变异,实际是天然的基因工程。由于整合进入染色体的外源DNA片段较小,所以在光学显微镜下看不到DNA片段插入后引起染色体形态和结构上的差异;由于外源DNA片段只能极少数插入到染色体上,因此子代的表型基本相同于受体母本,只有少数性状可引起变异。
      当她的DNA片段杂交理论提出后,因名不见经传,而受到当时少数遗传学派权威学者的强烈反对,认为不符合遗传育种的规律。在科技界也有极少数的权威人士,对分子育种事实不加研究,却妄加评论,植物分子育种的发展遇到很大阻力。但周光宇坚信事实总能胜于雄辩。她要以科学的事实来说话。
      由于基因工程是DNA片段(基因)杂交整合,研究远缘杂交中的DNA片段杂交假说就成了当时是否能开展DNA导入植物,进行分子育种的理论根据。她为此设计并领导实验验证,她所领导的课题组与有关单位合作,通过以远缘杂交高梁稻为材料进行酯酶同工酶的分析,证明了高粱稻中有来自远缘亲本高粱的酯酶存在;经以高粱特异DNA为探针与高粱稻杂交,证明了高粱稻中确有来自高粱的DNA整合;在重复顺序DNA复性动力学的研究中,证明了高粱稻复性动力学明显的变化是由于高粱重复顺序插入水稻所引起的。这些研究结果发表了论文,为DNA片段杂交理论提供了有力的数据支持,也为她植物分子育种技术提供了理论和设计的基础。
      植物分子育种技术(外源DNA导入植物技术)的设计思想是模拟授粉杂交的育种技术。设计将带有特殊性状的供体总DNA的片段,在受体自花授粉后一定时间内,使DNA沿着花粉管通道进入胚囊,转化受精卵及其前后的细胞,由于这些细胞不具有正常细胞壁,可当作天然原生质体,易与DNA整合。她与江苏农科院的科研人员首先在棉花上合作建立了花粉通道转DNA(基因)技术方法系统。她领导的研究组用了3[H]-DNA在棉花授粉后导入,证明DNA经花粉管通道确实能直接到达胚囊;将M13(mp7)DNA导入棉花,证明了棉胚中有M13(mp7)DNA的整合;抗卡那霉素基因导入水稻获得表达等。这些充分证明了该设计的可行性。植物分子育种技术首先应用于棉花得到成功,获得了很多变异后代和生产上有经济价值的后代。
      1983年周光宇在美国权威杂志Methods in Enzymology上发表了国际上开创性的植物分子育种技术的论文,引起了学术界的重视。该技术不断在国内外得到广泛的理论上的验证和育种应用。周光宇应邀在美、欧、亚洲10个国家的大学和科研单位讲学50余次,在国内外的国际学术讨论会上报告18次。
       为了推动发展我国植物分子育种事业,周光宇分别于1988年5月在山东德州、1991年12月在上海、1994年5月在长沙主持召开了三届全国植物分子育种学术讨论会,有近100个单位、500余人参加了会议,会议中通过交流技术和理论知识,使我国分子育种技术得到广泛普及。在她的理论和方法指导及她的推动下,该技术在国内得到广泛的验证和应用,如中国科学院遗传与发育研究所GUS基因转化小麦成功;中国农科院Bt.toxin基因转化棉花取得抗虫效果;黑龙江省农科院将野生大豆DNA导入栽培大豆,育出大豆高蛋白含量和早熟等优良品系;吉林省农科院育出抗大豆花叶病株系;江苏农科院、湖南农业大学都育出高产优质、具抗逆性、抗枯萎耐黄萎病新品种;广西农科院以药用野生稻DNA导入栽培稻,育成特异糯稻新品种等。目前国内有近百家实验室采用该技术在稻、麦、棉、豆、菜、甘蔗以及林木等40多种植物上获得了理想的结果。
      1988年美国康乃尔大学和西德马普植物育种研究所的研究组分别发表论文,对周创建的分子育种技术作了重复性的分子验证。
     1994年在荷兰召开的第四届国际植物分子生物学学术会议上,以色列Tel-Ariv大学植物系与西德马普植物育种研究所合作报道,用花粉管通道转基因技术将NPTⅡ和Bar基因转化12个春小麦,转化率高达6%。
      1986年,周光宇创造的植物分子育种技术在由中国科学院科技合作局和农牧渔业部共同主持召开的院(部)级评议会上得到充分肯定。到会专家一致认为“这一技术为研究外源基因导入提供了一个良好的实验系统,为扩大植物的变异范围提供了一项新的技术。在育种上,这是一个有应用价值的新途径。”
      分子育种1987年获得了中国科学院科技进步奖二等奖,1989年又获国家科技进步奖二等奖。1993年周光宇主编出版了“植物分子育种”论文集,1994年出版了《植物分子育种研究》文摘。
如今分子育种终于被人们所理解。周光宇认为20多年的研究,她主要应用外源供体DNA完成了分子育种第一阶段的目标,取得了具有生产效益的育种成果。她第二阶段要在第一阶段工作继续发展的基础上,从卓有成效的分子育种植物中识别分离导入了的外源DNA(基因),组建基因工程重组分子,使能应用有益基因,自由地导入不同受体植物,扩大分子育种效果。1995年在她已重病缠身的情况下,她还写出“关于申请发展我国农业植物分子育种的报告”,为完成第二阶段的研究工作,仍做着不懈的努力。
      周光宇是国际植物分子育种的创建者,也是我国植物基因工程重要奠基人之一,是具有国际影响的女科学家。她热爱祖国,治学严谨,勤奋科研,有创新精神,是一个具有很强领导能力和组织能力的活动家,为我国的科学事业作出了突出的贡献。
 
 
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