7月5日，生命科學學院黃學輝教授團隊在《科學》發表論文《通過混血雜交群體的組學研究揭示水稻性狀的遺傳構架》（Genomic investigation of 18,421 lines reveals the genetic architecture of rice）。該研究創制了大規模的水稻“混血雜交”群體，開創了一系列遺傳學大數據分析新方法，大幅提升了農藝性狀遺傳解析的效率，為水稻新品種的設計培育提供了基因信息和理論支持。

主要完成人，左起雍開成、魏鑫、黃學輝、劉杰、張綺、陳蒙嬌

從破解難題的決心開始

各類復雜農藝性狀由哪些基因決定、如何高效解析、基因之間有何聯系，一直以來都是水稻等作物遺傳研究的基本問題，也是實現水稻智能化育種的重要理論基礎。2017年初，生命科學學院組建植物數量遺傳學科研團隊，聚焦國家重大戰略目標，錨定該項研究課題，以“十年磨一劍”的堅定決心和頑強意志，只爭朝夕、埋頭苦干。在八年的研究過程中，團隊攻克了一個又一個難題，構建了縝密而巧妙的研究思路，提前設計研究過程每個階段的詳細“圖紙”；歷經漫長而艱辛的群體構建之路，創制了研究所需的大規模實驗材料，進行了基因組和表型組的測定；摸索出精細且具有創新性的分析方法，挖掘隱藏在大數據之下的重要基因和遺傳學規律；最終取得突破性研究成果。

16個親本的基因組多樣性

持續八年的田間奮斗

水稻材料多，田間實操易出錯。在每年兩次的播種、插秧季，魏鑫教授帶領華樺、張綺、雍開成等團隊師生勤勤懇懇地泡在水田里，高溫天下田插秧、臺風暴雨天搶收種子，都是司空見慣的事兒。群體不同材料之間的生育期差異大，收獲時間要持續兩個月之久。每年10月，在奉賢剛收完幾萬份植株的種子，團隊師生馬不停蹄地整理種子，趕在11月初運往海南崖州播種；來年3月底，再赴崖州收種、運回上海，繼續奮戰、整理種子，努力趕上5月中旬在奉賢的新一輪播種。

長達八年的水稻田間實驗

持續多年的水稻群體構建終于完成，而緊接著的便是持續兩年多的大規模性狀調查、大數據分析和實驗驗證。由于材料眾多，時間緊任務重，負責性狀調查的師生大部分時間都吃住在田間地頭。調查高峰期需要百余人同時操作，找不到足夠多的田間熟練工，課題組師生全員上崗，每天天不亮就下田、天黑才收工，風雨無阻地在田間勞作。

發揮交叉融合的協同功效

這項研究涉及農學、生物學、信息學、統計學等多個學科。多學科的交叉融合為研究的順利推進注入了重要的創新力量，更推動了優質創新資源的跨學科聚攏功效。植物數量遺傳學團隊中既有作物遺傳育種和分子生物學方向的研究者，還有精通生物信息學和統計學的研究者，他們在充分理解其他領域研究方法、技術和思路的基礎上，彼此間高效交流、互動、分工，形成一股合力，不僅聯合培養了各有所長的研究生隊伍，更構建了一條高效完整的研究鏈條。

團隊師生開發出高通量技術流程，實現了快速精準的DNA分型

研究所涉DNA建庫測序費用高昂，課題組教師王勤、劉杰、陳素卉利用生物化學方法從零開始建立體系，用質粒表達蛋白純化出所需要的酶，并與博士研究生范炯炯在實驗室構建DNA測序文庫，摸索出高通量、低成本的技術方案，大大節約了科研經費。該研究產生了大規模的生物學數據，團隊在分析中頻頻遭遇新難題，魏鑫教授、邱杰副教授和博士研究生陳蒙嬌不輕言放棄，查閱文獻、請教專家、嘗試新老方法，在一遍遍的討論中尋覓靈感，在一遍遍寫代碼、跑數據、實驗驗證的迭代中完善方案，最終啃下硬骨頭，取得了突破性進展。針對各類水稻育種性狀，該研究鑒定到了1207個基因位點，每個性狀平均可以檢測出27.5個基因位點，并在此基礎上系統解析了水稻基因的遺傳互作網絡。較以往工作，這項研究大幅提升了遺傳定位的功效和分辨率，也大大加深了對水稻育種性狀形成的了解。

團隊師生開展生物信息學研究，成功繪制了水稻基因網絡圖

打造創新、協作、融通的科研氛圍

植物數量遺傳學團隊建立之初，辦公室和實驗室還在裝修，團隊就借用了學院臨時辦公室和楊仲南教授的實驗室，爭分奪秒地開啟科研工作；水稻種植條件不足、研究生人員不夠，朱駿教授不但主動提供育秧盆，還多次帶領十幾名學生幫忙種植水稻；種在奉賢校區的水稻材料需鑒定表型，董彥君教授和趙國超副教授毫不猶豫地拿出田塊支援，張輝教授更是帶領研究生挑起調查性狀的重擔；大量水稻種子的表型需要考察，但人工調查的標準又不統一，信機學院馬燕教授指導學生量身定制了一套人工智能方法，實現了快速精準的圖像識別和表型數據采集。在校院各部門的通力協作下，研究得以順利推進，并最終取得研究的重大突破。

探索科教融匯的育人模式

團隊深度推進科教融匯，探索跨學科背景下培養新型高水平專業人才的新路徑、新方法，培養造就了一批未來的科研創新人才。在八年的研究過程中，先后有幾十名本科生參與了不同階段的不同環節。這段特別的經歷堅定了學生們矢志創新的理想信念，大部分參加研究的本科生后續進入了中國科學院、浙大、北大等院校繼續研究生學業。其中，本科生王樂琦、朱旻參與研發了水稻表型測量的自動化平臺，在2023年中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽中獲得全國銅獎、上海賽區金獎；本科生郜姍參與了田間作業和分子生物學實驗等環節，其后續研究獲得了2023年全國大學生生命科學競賽一等獎。

該項研究獲得國家重點研究計劃青年科學家專項、國家杰青項目、國家優青項目及上海市植物分子科學重點實驗室、上海市植物種質資源工程技術研究中心、上海市植物種質資源開發協同創新中心的資助。

（供稿：生命科學學院  攝影：宣傳部）