黄学辉团队建立水稻遗传解析新体系

7月5日，生命科学学院黄学辉教授团队在《科学》发表论文《通过混血杂交群体的组学研究揭示水稻性状的遗传构架》（Genomic investigation of 18,421 lines reveals the genetic architecture of rice）。该研究创制了大规模的水稻“混血杂交”群体，开创了一系列遗传学大数据分析新方法，大幅提升了农艺性状遗传解析的效率，为水稻新品种的设计培育提供了基因信息和理论支持。

主要完成人，左起雍开成、魏鑫、黄学辉、刘杰、张绮、陈蒙娇

从破解难题的决心开始

各类复杂农艺性状由哪些基因决定、如何高效解析、基因之间有何联系，一直以来都是水稻等作物遗传研究的基本问题，也是实现水稻智能化育种的重要理论基础。2017年初，生命科学学院组建植物数量遗传学科研团队，聚焦国家重大战略目标，锚定该项研究课题，以“十年磨一剑”的坚定决心和顽强意志，只争朝夕、埋头苦干。在八年的研究过程中，团队攻克了一个又一个难题，构建了缜密而巧妙的研究思路，提前设计研究过程每个阶段的详细“图纸”；历经漫长而艰辛的群体构建之路，创制了研究所需的大规模实验材料，进行了基因组和表型组的测定；摸索出精细且具有创新性的分析方法，挖掘隐藏在大数据之下的重要基因和遗传学规律；最终取得突破性研究成果。

16个亲本的基因组多样性

持续八年的田间奋斗

水稻材料多，田间实操易出错。在每年两次的播种、插秧季，魏鑫教授带领华桦、张绮、雍开成等团队师生勤勤恳恳地泡在水田里，高温天下田插秧、台风暴雨天抢收种子，都是司空见惯的事儿。群体不同材料之间的生育期差异大，收获时间要持续两个月之久。每年10月，在奉贤刚收完几万份植株的种子，团队师生马不停蹄地整理种子，赶在11月初运往海南崖州播种；来年3月底，再赴崖州收种、运回上海，继续奋战、整理种子，努力赶上5月中旬在奉贤的新一轮播种。

长达八年的水稻田间实验

持续多年的水稻群体构建终于完成，而紧接着的便是持续两年多的大规模性状调查、大数据分析和实验验证。由于材料众多，时间紧任务重，负责性状调查的师生大部分时间都吃住在田间地头。调查高峰期需要百余人同时操作，找不到足够多的田间熟练工，课题组师生全员上岗，每天天不亮就下田、天黑才收工，风雨无阻地在田间劳作。

发挥交叉融合的协同功效

这项研究涉及农学、生物学、信息学、统计学等多个学科。多学科的交叉融合为研究的顺利推进注入了重要的创新力量，更推动了优质创新资源的跨学科聚拢功效。植物数量遗传学团队中既有作物遗传育种和分子生物学方向的研究者，还有精通生物信息学和统计学的研究者，他们在充分理解其他领域研究方法、技术和思路的基础上，彼此间高效交流、互动、分工，形成一股合力，不仅联合培养了各有所长的研究生队伍，更构建了一条高效完整的研究链条。

团队师生开发出高通量技术流程，实现了快速精准的DNA分型

研究所涉DNA建库测序费用高昂，课题组教师王勤、刘杰、陈素卉利用生物化学方法从零开始建立体系，用质粒表达蛋白纯化出所需要的酶，并与博士研究生范炯炯在实验室构建DNA测序文库，摸索出高通量、低成本的技术方案，大大节约了科研经费。该研究产生了大规模的生物学数据，团队在分析中频频遭遇新难题，魏鑫教授、邱杰副教授和博士研究生陈蒙娇不轻言放弃，查阅文献、请教专家、尝试新老方法，在一遍遍的讨论中寻觅灵感，在一遍遍写代码、跑数据、实验验证的迭代中完善方案，最终啃下硬骨头，取得了突破性进展。针对各类水稻育种性状，该研究鉴定到了1207个基因位点，每个性状平均可以检测出27.5个基因位点，并在此基础上系统解析了水稻基因的遗传互作网络。较以往工作，这项研究大幅提升了遗传定位的功效和分辨率，也大大加深了对水稻育种性状形成的了解。

团队师生开展生物信息学研究，成功绘制了水稻基因网络图

打造创新、协作、融通的科研氛围

植物数量遗传学团队建立之初，办公室和实验室还在装修，团队就借用了学院临时办公室和杨仲南教授的实验室，争分夺秒地开启科研工作；水稻种植条件不足、研究生人员不够，朱骏教授不但主动提供育秧盆，还多次带领十几名学生帮忙种植水稻；种在奉贤校区的水稻材料需鉴定表型，董彦君教授和赵国超副教授毫不犹豫地拿出田块支援，张辉教授更是带领研究生挑起调查性状的重担；大量水稻种子的表型需要考察，但人工调查的标准又不统一，信机学院马燕教授指导学生量身定制了一套人工智能方法，实现了快速精准的图像识别和表型数据采集。在校院各部门的通力协作下，研究得以顺利推进，并最终取得研究的重大突破。

探索科教融汇的育人模式

团队深度推进科教融汇，探索跨学科背景下培养新型高水平专业人才的新路径、新方法，培养造就了一批未来的科研创新人才。在八年的研究过程中，先后有几十名本科生参与了不同阶段的不同环节。这段特别的经历坚定了学生们矢志创新的理想信念，大部分参加研究的本科生后续进入了中国科学院、浙大、北大等院校继续研究生学业。其中，本科生王乐琦、朱旻参与研发了水稻表型测量的自动化平台，在2023年中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中获得全国铜奖、上海赛区金奖；本科生郜姗参与了田间作业和分子生物学实验等环节，其后续研究获得了2023年全国大学生生命科学竞赛一等奖。

该项研究获得国家重点研究计划青年科学家专项、国家杰青项目、国家优青项目及上海市植物分子科学重点实验室、上海市植物种质资源工程技术研究中心、上海市植物种质资源开发协同创新中心的资助。

（供稿：生命科学学院  摄影：宣传部）