——记上海交通大学农业与生物学院教授陆钰明

杜月娇

 “一粒种子可以改变世界”，然而如何通过各种基因的组合，培育出更多优良种子呢？为了这一目标，多年来上海交通大学农业与生物学院教授陆钰明就深耕在植物基因组编辑和种质资源大规模创制研究中，并通过积年累月的创新探索，取得了一系列成果，得到了领域同行的高度关注和认可。一场属于21世纪的“绿色革命”正在以基因编辑技术为基础，在农业生产中蔓延开来。

逐梦

——兴趣驱使的基因编辑探索

英国著名演化生物学家理查德·道金斯曾在《自私的基因》中说过：“生物体是基因创造的生存机器。生命短暂，基因不朽。”而正是因为基因的特殊性以及其自身具有的极大科研探索空间，使基因编辑成为生物医学领域几十年来最大的一场革命。而陆钰明与基因编辑领域的结缘，还要追溯到其博士时期。

2012年，在武汉大学攻读发育生物学博士学位的陆钰明，就已经在植物细胞中开展了一系列基因编辑研究。“虽然博士期间我的主要研究方向是DNA修复，但是我十分关注基因编辑领域。”陆钰明说。2012年8月，一项震惊基因编辑领域的消息传来。美国加州大学伯克利分校的道纳（Jennifer Doudna）博士和德国马克斯·普朗克病原学研究所的夏庞蒂耶（Emmanuelle Charpentier）博士小组在《科学》（Science）杂志发文，揭示了“基因编辑”的过程。在看到这篇学术文章之后，陆钰明更加深刻地洞察到了基因编辑领域的广阔发展前景，今后在这一领域持续深耕的决心也愈加坚定。

在陆钰明看来，只有修改基因组才能修改生命，这是从事育种等研究的终极解决方案，也是他从事基因编辑研究的初心。在这一目标的驱使下，陆钰明于2013年10月来到了中国科学院上海生命科学研究院，师从朱健康院士正式投身到基因编辑与种质创新研究。

突破

——创新突破基因编辑难题

育种技术为粮食产量提高和品质改良作出了巨大贡献，其创新得益于遗传学、分子生物学和基因组学的发展。神奇的“基因剪刀”如何实现品种改良？我国在基因编辑育种方面能否后来居上？在陆钰明看来，这一切都要通过产业化进行验证。自2014年9月起，我国掀起了“大众创业”“万众创新”的浪潮。在全国上下产业化热潮发展的大趋势下，还在从事博士后研究的陆钰明，决心前往江苏等地，进行基因编辑的产业化探索。“几十年来，我国农业发展相较于发达国家仍非常落后，有很多问题需要去研究、去解决。”他说。就这样，一股蛰伏已久的热情被唤醒了。

众所周知，生物的性状主要是由基因决定的，比如株型高矮、产量高低等。针对基因创制突变体库能够极大地促进基因功能的解析。水稻约有4万个基因，是人体基因数量的1.7倍，建立完备的突变体库需要大量的设备、专业人员和巨额资金支持。相较于高校而言，企业的科研连续性更强，执行效率也更高。为了带动科研持续创新，陆钰明决心组建企业团队，利用基因编辑技术，打造水稻种质资源库。在他的引领下，团队首次创建了一种高通量种质精准创制体系，并通过7年多坚持不懈地努力，建立了覆盖近2万个基因、拥有近30万份突变体的全球最大的水稻靶向敲除突变体库。这一成果于2017年6月以封面故事发表于《分子植物》（Molecular Plant）。

科研探索，终有所得。近年来基因编辑技术聚焦于产业的源头创新，带领整个植物育种产业生态链走向了新的开端。然而，这一领域还有一项悬而未解的科研难题，始终困扰着领域内的科研工作者。一般来说，“基因敲除”“基因敲入”“基因替换”是基因编辑的3个层次，但到目前为止，CRISPR/Cas介导的植物基因组定点敲除技术只能在基因组特定位点产生随机插入和删除，精准的片段插入和替换的效率一直很低，极大地限制了其在植物研究和育种上的应用。为了攻克相关问题，陆钰明领导团队在2013—2018年的5年间，一直深耕在这一领域展开探索，但却鲜有进展。功夫不负有心人，在马斯克决策逻辑的影响下，陆钰明决心从细胞的本质出发，创新性地引入医学领域的核酸修饰理念，在植物上建立基于修饰片段的靶向敲入技术，将片段敲入效率从以前的约1%大幅提升至50%左右。“正所谓，量变会引起质变，将基因片段敲入效率提升至50%左右之后，可极大地保证研究的可行性。”陆钰明说。

在此之后，陆钰明和团队又在相关成果基础上，创建了一种全新的基因片段精准替换方法，称之为“重复片段介导的同源重组（TR-HDR）”。运用这一策略，他成功在30多个基因位点上实现了片段替换和标签蛋白的精准原位融合，效率可高达23%，远超常规方法。通过这一研究，全面、高效地实现了植物基因组片段敲入和替换，相关成果于2020年12月发表在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）上，一经发表便迅速地被多个实验室成功应用，充分证实了其高度的可行性和广泛的应用范围。

21世纪初期，杨焕明院士作为中国代表，参与了人类基因组计划，与团队一起完成了“1%的测序组装”任务。在此之后，国家投入了大量资源进行各类物种的大规模基因组研究，在核酸层面获得了巨大的进展。但是作为生物体行使功能的主要分子，蛋白质的研究却严重滞后。“事实上，核酸保存生物体信息，而蛋白质真正让生物体发挥功能。”陆钰明说。在这一背景下，陆钰明引领团队，结合其建立的高效片段敲入和替换技术，建立了高效的植物蛋白大规模原位标签技术体系，并与中国科学院李家洋院士、韩斌院士和美国科学院朱健康院士、罗纳德（Pamela Ronald）院士一起，提出了“水稻全基因组蛋白标签计划（RPTP）”，旨在通过国际合作，在全基因组范围内为水稻每一蛋白编码基因原位融合一个蛋白标签。平台的搭建，广泛推动了植物研究由“功能基因”全面进入“功能蛋白”时代。相关成果于2020年12月发表于《分子植物》（Molecular Plant）。文章发表后，RPTP计划已得到了国际范围内诸多学者的响应和支持。

扎根

——将研究立足祖国大地

科研工作者不能做“裱糊匠”，要真真正正将研究扎在土里。这是陆钰明从事科研工作以来，一直坚守的研究信念。“我们从事农业育种研究，需要多从应用方面着眼，从实际考虑问题。科学问题的来源，一定要来自田间地头，来自生产一线。”陆钰明说。为了打破产业与实际应用之间的鸿沟，陆钰明经常会下到乡村中，去一些种粮大户及种植企业中走访，关注他们在生产、生活中遇到的实际问题，而在这一过程中，他也得到了很多启示，并懂得了如何看待实际生产中的应用问题。正所谓“春江水暖鸭先知”，农业生产领域未来所面临的主要问题是什么，陆钰明始终有着清晰的认知，并将解决此类问题，列入了今后的研究规划。

陆钰明介绍道：氮素对农作物影响巨大，增加农作物氮素吸收和利用效率，可降低成本、保障产量、利于环境，同时有望提高作物蛋白含量，促进解决国家蛋白质短缺的粮食安全问题。在这一背景下，他决心领导团队利用基因编辑技术来提高水稻跟玉米的氮肥利用效率。目前作为国家重点研发计划青年项目的首席科学家，陆钰明领导的水稻和玉米氮高效研究团队，已经建立了完整的氮高效分子设计体系，并与基因编辑育种企业未米生物合作，以替代“大豆蛋白”为目标，积极培养氮高效和高蛋白优良品种。“我相信在我们的合作探索下，未来会产生更多变革性科研成果。”陆钰明说。

“我想做一个我们国家自主的基因编辑育种体系，从底层的基因编辑工具，到基因的敲除、敲入与替换，再到基因的增强与减弱，最后落地育种，争取贯通这一条线。”陆钰明介绍道，“我们做基因编辑，要做有价值的研究，也要做能用得起来的研究。”目前，作为未米生物的科学顾问，他正以蛋白饲料等精深加工终端产品为导向，积极推动新一代自主精准育种体系的产业化落地。

科研工作者一定要具有广阔的视野、远大的理想，并敢于做尝试。面向“通过育种创新，保障国家粮食安全”的最终目标，陆钰明始终执着而又坚定。“对于自己所设立的目标，不管工程量多大，需要耗费多少精力，我都会全力将其完成。”他坚定地说。

（责编：张闻）