刘耀光：杂交水稻“解码者”

本刊记者|知一

刘耀光：杂交水稻“解码者”

本刊记者|知一

三年来，以刘耀光为首的“水稻育性发育机理与基因工程”研究团队，克隆了3个水稻细胞质雄性不育的不育基因、2个恢复基因等，揭示相关分子机理，并在国际权威期刊发表一系列高水平研究论文，奠定了我国在植物育性研究的国际领先地位。这些研究成果能帮助育种工作更有策略。

水稻亚种间杂交雄性不育妨碍了水稻产量的进一步提升，本周《自然-通讯》发表的一项研究Genomic structural variationmediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice为了解其背后遗传机制带来了新的见解。论文的通讯记者正是华南农业大学“水稻育性发育机理与基因工程研究团队”的领头人刘耀光。

为了让育种工作更有策略

水稻是一种重要的粮食作物，进一步提高水稻产量对于世界粮食安全具有重大意义。一种解决方法是通过籼粳亚种间杂交，促进提高杂种优势——杂种优于亲本的遗传现象。在杂交稻中，每一个亲本都贡献一个基因的等位基因给后代，两个等位基因的互作影响该基因编码的性状。但是问题在于，由此形成的杂交种存在不同程度的不育。目前，人们还没有完全弄清楚决定杂交种雄性不育的基因，也缺乏可以克服该问题的有效方法。

杂种不育是物种分化产生的一种生殖隔离机制。亚洲栽培稻（Oryza sativa L.）分为籼稻和粳稻2个亚种。籼稻和粳稻亚种间杂种具有强大的杂种优势，是水稻杂交育种的未来主攻方向。但籼粳杂种存在严重的杂种不育现象，导致结实率下降，极大限制了籼粳杂种优势利用。因此，克隆控制籼粳杂种不育的基因并阐明其分子机理，在理论和生产实践上均有重要的意义。Sc座位是控制籼粳杂种不育的一个主要遗传座位，但其分子基础尚不明确。

针对这一科学问题，刘耀光领衔的“水稻育性发育机理与基因工程研究团队”经过10多年的艰苦探索，最终克隆了Sc座位的目标基因。序列分析发现，籼稻和粳稻Sc等位基因结构发生了很大变异。其中，粳型等位基因座Sc-j仅包含一个花粉发育必需基因，而籼型基因座Sc-i存在序列重组和大片段基因拷贝数重复；重复拷贝的数目越多，籼粳杂种不育程度越严重。进一步研究还发现籼粳杂种F1中Sc等位基因的遗传互作会导致粳型Sc-j基因表达水平的大幅度下降，造成携带Sc-j的花粉选择性败育。该研究揭示了一种基于等位基因剂量效应驱动的选择性基因沉默即称为等位抑制（allelic suppression）的新型杂种不育分子机制。该研究同时建立了一种高效的基于CRISPR/Cas9基因编辑技术定点删除部分基因拷贝，以打破杂种不亲和性的技术方法。这一研究成果深化了人们对杂种不育分子遗传机制的认识，为进一步利用水稻植物杂种优势奠定了理论和技术基础。

“以袁隆平为代表的中国科学家在杂交水稻培育方面做了很多工作，多年来应用非常广泛。但杂交水稻究竟为什么能育种，分子基础是什么，这是我们的研究重点。”刘耀光说。以刘耀光为首的“水稻育性发育机理与基因工程研究团队”三年来，团队克隆了3个水稻细胞质雄性不育的不育基因、2个恢复基因等，揭示相关分子机理，并在国际权威期刊发表一系列高水平研究论文，奠定我国在植物育性研究的国际领先地位。“这些研究成果能帮助育种工作更有策略。”

求学日本 盛名初成

刘耀光是恢复高考后第一批大学生，当时报考的是一所工科院校的建筑专业，没被录取，后来又进了华农学农科。在一些人看来学农没出路，不安心学习，可是刘耀光没想太多，有书读就行。毕业后的刘耀光到了湖南省长沙市农业专科学校做了两年的助教，一心向学的刘耀光1985年考取了赴日留学研究生。

留学期间，刘耀光先后在日本香川大学作物遗传育种学、京都大学遗传育种专业攻读硕士、博士学位，1991年获博士学位后，在日本三井生物技术研究所做博士后、研究员。11年的时光使刘耀光定下了“做什么都要做到最好”的人生目标。

刘耀光硕士毕业时，香川大学导师非常欣赏刘耀光的才华，希望他能够留下来作自己的博士生，但是基于要做就做得最好的信念，刘耀光并没有选择安安份份地直升原校的博士生，而是考取了日本的重点大学----京都大学，师从国际著名的植物分子生物学家常胁恒一郎教授。

在京都大学这样的一流院校里，刘耀光就像一条饥渴的鱼，一头扎进了知识的海洋。博士期间他开展了小麦染色体基因连锁图谱的研究。三年的时间里不仅完成了完成了博士学位，随后围绕着植物基因组这个主题，进行了新材料、新方法、新技术的开发研究工作，在超大片段植物核DNA提取法、温度非对称交互PCR（TAIL-PCR）技术、可转化人工染色体（TAC）克隆载体和多基因转化系统新技术以及植物重要基因的克隆与功能研究等方面取得了一系列具有国际领先水平的创新性成果，在《美国科学院报》（PNAS）、《The Plant Journal》等国际著名核心刊物上发表论文 30余篇、出版专著3部，获发明专利1项。发表的论文被包括国际权威刊物Science在内的数十种刊物引用800多次。很快，植物分子遗传学和基因工程领域刘耀光盛名初成。

归国学子走上了钟爱一生的道路

在日本的求学和研究经历使刘耀光成为一名在国际上有一定知名度的植物分子生物学家，但作为一名中国人，在异国他乡做出的成果再多似乎都是在为别人打工，所以他萌生了“要做自己的事业”的信念。在日本三井生物技术研究所工作期间，刘耀光的主要任务是开展模式植物拟南芥分子生物学的研究。他不满足于此，而是针对中国南方是水稻的主产区的实际，利用一切机会，跟踪水稻生物技术方面的研究进展，为回国后开展水稻分子生物学研究奠定了基础。

一回国，刘耀光还没有顾得上安排好夫人的工作和小孩的学业，就到了位于广州的华南农业大学报到，他渴望尽快全身心地投入紧张的研究工作。他说要与外国的同行竞争，与时间赛跑。他渊博的知识、活跃的思维、高超的试验设计能力和技术以及忘我的拼搏精神，得到国内同行和主管部门的尊重和信任。短短几年时间共获得国际合作、国家“863”、“973”计划、国家转基因植物产业化、国家自然科学基金、省自然科学基金等各级课题资助。刘耀光瞄准基因工程在遗传育种中应用的基础理论研究的难点课题，为解决可转化人工染色体（TAC）和多基因组装与转化载体系统的创建、水稻基因的高效克隆、三系杂交稻选育中有重要应用价值的雄性不育恢复基因及其他育性相关基因的定位和克隆、籼粳稻杂种不育基因的物理图谱定位和分离、水稻分子育种技术等问题，开展了系统的研究。

他构建了适用于单子叶植物、具有基因克隆及转化双重功能的载体（TAC）系统，并用于水稻基因的定位和分离。在载体改良、大片段基因组文库构建、恢复基因的分子标记和物理图谱定位、水稻大片段DNA遗传转化等方面也取得显著的进展。他还利用自己的技术优势，积极参加同行相关课题的研究，在小麦抗病基因的分离和克隆方面做了大量的工作。通过几年努力，研究工作取得了重要进展，近年发表了多篇高质量的研究论文，申请了两项专利。在国内的学术地位获得了同行的认可，刘耀光实现了回国做自己事业的愿望。同时，也使华南农业大学在植物分子生物学领域的整体研究水平大大提高。

由助教到院士 凭的就是爱好

由工科学校的落榜生到转战农科，由助教到留学研究生，由盛名初成的植物分子生物学家到院士，刘耀光凭借的就是爱好。刘耀光说：“一个人热爱某项事业并坚持做下去，就一定能够成功。”

华南农业大学的已故院士卢永根是刘耀光农业科学研究的启蒙老师，也是科研工作的引路人，对刘耀光最知根知底。卢院士这样评价刘耀光，“这是一个追求科学、淡泊名利的人，在这样一个浮躁不安的世界里，刘耀光沉得住气，不骄不躁，他发表的文章，篇篇是精品。”1996年刘耀光回国的时候，学校的研究条件还不是很好。但是，刘耀光在与组织和领导谈论回国一事时，谈得最多的是回来如何开展工作，从未向组织提出个人生活待遇要求，并且用自己节省的钱从日本带回一些当时国内没有的开展研究急需的小型设备。所以，一回到学校，刘耀光的家庭和生活还没来得及安排好，就一头扎进研究室，没日没夜地干了起来。

刘耀光对自己要求很严，对学生要求也很严，一位学生说：“刘老师对我们学生太熟悉了，几乎我们每一个学生实验做到哪一步，数据准不准，还缺少什么，老师比我们自己还清楚。你说我们能马虎么？”华农王少奎教授说：“有时候晚上加班到10点准备回家时，还看到刘耀光老师的办公室亮着灯。刘老师已经取得那么高的学术成就了，还这么努力，我们又该怎样呢？”。

一路行走，一路繁花

1997年度国家杰出青年基金资助获得者；1999年入选广东省“千百十工程”省级培养对象；2000年入选农业部“神农”计划；2001年入选广东省“千百十工程”国家级培养对象；2001年广东省“千百十工程”先进团队的学术带头人；2001年享受国务院政府特殊津贴；2002年12月被聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授；2008年，刘耀光研究员带领的课题组在《美国科学院报》发表论文，阐明了水稻籼粳杂种雄性不育及其亲和性的分子基础。这是国际上首次发表有关植物杂种雄性不育分子机制的论文； 2013年3月17日作为通讯作者在《Nature Genetics》在线发表论文，该论文是刘耀光课题组在阐明水稻胞台(BT)型细胞质雄性不育与恢复性分子机理后的又一重大研究成果；2017年3月24日在国际植物学知名刊物《Journal of Experimental Botany》 上在线发表了论文，揭示了水稻雌雄配子双不育的分子机制……

刘耀光在“为了让育种更有策略”的道路上前行，不曾停歇，留给后来人一路繁花。