【农大好故事63期】让梦想照进现实
——马峙英教授棉花团队取得重大科研成果背后的故事
团队开会研讨
近日，国际棉花基因组大会组委会向河北农业大学马峙英教授发来邀请，希望他在大会上作成果报告。引发国际学术界对马峙英高度关注的，是5月8日国际顶级学术刊物《自然•遗传学》在线发表的一篇研究长文。这篇文章是一项棉花基因组变异和纤维性状遗传领域的国际重要研究成果，它将有助于未来棉花育种走向“按图索骥”，从“海选”走向“定制”。
记者采访了该论文的作者们——我校华北作物种质资源研究与利用教育部重点实验室马峙英教授棉花科研团队，探寻棉花基因组研究取得重大科研成果背后的故事。
重磅科研成果，让未来棉花育种实现“按图索骥”
这篇在国内外引起强烈反响的科研论文，究竟实现了哪些突破？原来，马峙英团队联合中国农业科学院棉花研究所等单位，对从中国棉花种质资源库7362份陆地棉中筛选出的419份核心种质进行基因组重测序，平均深度达6.55倍，找出366万个单核苷酸多态性（SNP），通过田间环境种植鉴定获得了20多万个表型数据，发现了与棉花纤维长度、强度等重要性状相关的基因组变异和遗传位点及其染色体分布规律，这是当前世界棉花测序和关联分析中测序深度、品种表型鉴定、找到变异基因位点和基因数目等较为丰富的一项研究，为棉花重要性状定向育种提供了较为精准的标记和基因资源。
其实，通俗地讲，就是该项研究对人类在整个驯化过程中保留了哪些有利于提高棉花品质和产量的基因位点进行了全面分析和发掘，以便为棉花品质、产量等重要性状的有效选择与改良提高，也就是培育纤维又长又强、产量又高的棉花新品种提供科学依据。
与马峙英教授一道从事棉花种质资源和育种研究30多年的张桂寅研究员介绍到，“这一研究将很快被科学家们应用于棉花分子设计育种，现在常规棉花育种需要多年田间种植和选择，将来根据SNP分子标记，直接在实验室就能进行精准设计和选择，可显著提高育种效率和准确性，从而实现未来棉花育种按图索骥。”
不经一番寒彻骨，怎得梅花扑鼻香
如此高水平研究成果的背后肯定有着不同寻常的付出和艰辛。6年的科研攻关，6个月的补充实验，10个月投稿后的煎熬等待，是团队每位老师难以忘却的。从2012年开始构思，凝练出大规模发掘棉花种质资源表型变异分子基础和优异遗传位点，从而改良提高品质、产量等重要复杂性状的重大科学问题，马峙英教授带领的棉花团队用了6年的时间，完成了419份棉花核心种质的基因组重测序和多年多点的田间种植鉴定，频繁的田间调查记载和实验室性状考查，加之结合DNA大数据对诸多育种家们关心的性状进行全面分析和总结，工作量非常大。“全年没有节假日，只有临近春节才会休息几天，其他时间不是在实验室就是在试验田”，团队成员张桂寅研究员说。
“整个研究最难的阶段，我觉得第一个是田间表型鉴定、发现和确认基因组变异，以及如何鉴定优异位点的过程。”团队成员王省芬教授说，为了寻找可能受其影响的基因，他们鉴定了纤维长度、强度、铃重、衣分等13个纤维品质和产量性状，获得了20多万个表型数据，调查数据记录本摞起来有两尺多高。日复一日在实验室和试验田之间奔波，外人看来可能是枯燥而辛苦的，但团队成员却不以为然，以苦为乐。“如果你是有目标的工作者，就不会觉得枯燥，当你致力于解决一个问题后，心中涌动的喜悦将会把所有的辛苦一扫而光”，团队里的80后成员张艳副教授深有体会地说。“每次碰头会上，马老师都强调要紧盯国际前沿，保持研究的先进性。为此我们又增加了多品种多阶段的纤维转录组测序和分析，使得工作量和难度不断增加”。就这样，6年的研究时间里，棉花科研团队两千多个日日夜夜执着地进行着他们热爱的科学研究工作。
“第二个难度较大的工作就是论文的写作和修改”，王省芬说。“马老师要求非常严格，带领团队的几位老、中、青教师组成的写作小组经常加班，经过6个月紧张工作完稿的论文，可以说是几易其稿锤炼而成”。研究成果的投稿过程又是一波三折。2017年1月，大家满怀期待，把论文投给了《Nature Genetics》，历经一个月的等待后，收到编辑部转来的审稿专家们的意见，论文很有价值，但需要补充实验来验证发掘的基因是否真正有效，时间期限为6个月。于是，马峙英教授和他的团队在随后的6个月时间里紧张工作、科学设计，大田种植和生长室鉴定双管齐下，正向遗传学与反向遗传学分析相互补充，模式植物拟南芥转基因和棉花基因沉默相互印证，完成了评审专家要求的补充实验和文章修改。随后就是长达5个多月的揪心等待。2017年12月，评审回复准备录用，并提出了需要进一步必须回答的科学问题。2018年2月，审稿专家又第三次提出要回答的问题。“梅花香自苦寒来”，成果终于3月23日被正式接受，5月8日凌晨在线发表。
“2017年1月投稿后这一年多的时间，夜间凌晨1点，我经常会自动醒来。”那是《自然》杂志编辑上线回复邮件的时间，“再困，我也会打开手机，看看有没有编辑的回复，看看有没有类似的成果发表，自然科学的研究具有强烈的竞争性。”马峙英教授坦言。
站在科研高峰的“高产”团队，用汗水成就棉花盛开
如此重磅研究成果的取得，得益于团队10多位专家教授、30多名研究生、本科生的辛劳付出，还得益于与国内外其他科学家的团结协作。这个团队已经先后于2014年和2015年与喻树迅院士团队合作，分别在国际学术顶级刊物《Nature Genetics》和《Nature Biotechnology》上以同等贡献第一作者发表科研成果。该团队经过30余年的建设已形成了一支具有国际影响力的棉花研究团队，育成15个不同类型的抗病优质高产棉花新品种，曾获何梁何利基金科学与技术创新奖1项，国家科技进步二等奖1项，省部级科技成果一等奖4项，国家教学名师奖1项，国家教学成果二等奖1项。
到目前为止，全世界棉花基因组测序文章中国学者突破性地贡献了8篇：6篇Nature Genetics及2篇Nature Biotechnology文章。而马峙英棉花团队为主完成1篇、参与完成2篇，这体现了该团队在棉花研究领域处于先进行列。
“成果是汗水凝聚的”，这样形容这个团队科研成果的获得一点也不为过。棉花生长周期长，科研工作连续性强，没有一种“咬定青山不放松”的劲头，是做出不来成果的。多年多点收集表型数据，团队专家们带领30多个学生经常从汽车到自行车、农用车，一到试验田就忘了奔波的辛劳，开始了繁忙的田间实验，中午就地啃两口面包当午饭是常事。一天忙活下来，个个都像刚从土里钻出来的“土猴子”。就拿调查开花期和吐絮期来说，操作时间通常在每年的7月上中旬到8月底，那是一年中最热的时候，阳光下的棉田热气蒸腾，人就像站在蒸笼上一样，汗水如雨滴，顺着衣袖向下淌。
假期对于这个科研团队来说真的是奢侈品。这么多年来，团队的老师和研究生在腊月26之前从没放过假。团队经常晚上才有时间开会研讨，进行实验进展和科研问题的汇报，集思广益，马峙英教授再进行总结与提高。由于工作繁忙，他的团队老师们的共同经验是在家做饭时几样菜混在一起炒，既节省时间又营养丰富，师生在实验室做实验方便面加榨菜就成了家常饭。大家感叹这个团队常出“含金量”高的成果，其实那是用汗水换来的。当问到下一步工作，这支团队考虑的是把这些找出来的纤维品质、产量相关的基因，通过技术实现基因改良，培育更好的棉花新品种，推动棉花社会经济效益再提高。
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能在《自然•遗传学》上发论文，到底有多厉害？
《自然•遗传学》(Nature Genetics)是英国自然出版集团出版的世界顶级科学期刊，《自然》（Nature）的系列子刊之一，属于专业性学术期刊，发表遗传科学领域各学科的高水平研究成果，其发表的每篇论文都要经过多名国际级专家的审核和论证，该刊上发表的文章代表着某一领域取得了意义重大的研究进展。不过，单是其高达90%的退稿率，就足以让人望而生畏。能够在《自然》《自然•遗传学》等世界顶级期刊上发文，是无数科学家孜孜以求的目标。
作者：宣传部 姚运肖 师春祥 摄影：宣传部 赵凌云 编辑：宣传部 杨晓丽
