用一流的科研成果回報社會
發表時間 2019-01-04 15:18 來源 本站原創

  ——記中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所苗向陽研究員及其團隊

  編者按:當前,隨著美國總統特朗普奉行逆全球化政策愈演愈烈,國際貿易環境風云突變,各個國家和經濟體之間的競爭日益激烈,其中最重要的殺手锏,就是科技水平之間的競爭。無論是知識產權之爭,還是技術轉讓爭端,歸根到底,還是各國科技人才在科研創新成果上的較量。這是一場沒有硝煙的戰爭,也必將是中美兩國長期角逐的勝負手。到底是中華民族偉大復興的和平崛起,還是傳統超級大國美國的逐漸衰退,都會歸結到科技競爭這個制高點上。誰能在未來的科研競爭中腳踏實地,勇于創新,取得一流的成果,誰就將立于不敗之地。

  自從奧地利遺傳學家孟德爾神父根據豌豆雜交實驗發現生物的遺傳基因規律、總結出孟德爾遺傳定律以來,生物基因工程技術已經有了將近一個半世紀的歷史。在百年的發展歷程中,基因工程技術對人類科技文明發展的作用得到了日益凸顯,特別是到了新世紀,已經在現代科學中占據了重要地位。正因為此,世界各國均有優秀的科學家在這一領域苦心鉆研,為造福人類而不懈奮斗。苗向陽研究員是中國農業科學院杰出人才,基因工程和功能基因組學學科帶頭人,博士生導師。他主要從事基因工程和功能基因組學、轉基因動物及分子育種方面的研究工作,如:新基因克隆及其功能研究、高通量基因組學、表觀遺傳學、轉基因動物、iPS細胞、羊雞豬的基因組和分子育種等。

  勇于創新,方能占據制高點

  “誠實做人,踏實做事,貴在堅持,努力就會成功。”這是苗向陽研究員對新生的諄諄告誡。他是這么說的,也是這么做的。多年來,面對日益復雜的國際競爭局面,他堅持不懈,勇于創新,帶領團隊在自己的研究領域內辛勤耕耘不輟,取得了一系列豐碩的科研成果。

  苗向陽研究員利用在基因工程和分子生物學方面研究的優勢,積極在生物基因工程技術研究方向上開拓新領域。他應用研究基因功能的新方法和生物信息學等,成功構建了規模化的基因克隆與功能驗證技術,不僅發現了新基因及其功能,而且大規模克隆并鑒定了具有自主知識產權的新基因,在基因工程和功能基因組學研究領域卓有建樹。在轉基因動物研究領域,苗研究員通過探索新方法研究培育轉基因動物新品種,在提高轉基因動物自主創新能力的同時更為轉基因研究與應用提供了有效的技術平臺。

  苗向陽研究員主要從事基因工程、功能基因組學與表觀遺傳學及分子育種方面的研究工作,如新基因克隆及其功能研究、高通量基因組學、表觀遺傳學、生物信息學、轉基因動物及分子育種。先后主持國家自然科學基金項目,國家高技術研究發展計劃(863計劃),轉基因生物新品種培育重大專項,北京市自然科學基金項目,科技部科研院所社會公益研究專項,國家科技支撐計劃等項目30多項。

  多年來,苗向陽研究員開展了功能基因組學、表觀遺傳學及分子育種等研究,通過篩選鑒定出一批與羊、豬的生殖、生長、品質等重要經濟性狀功能基因和分子標記,取得了創新性的研究成果。采用多組學及生物信息學等方法,在國際上率先進行了羊豬等高繁殖力及肉質性狀基因組、轉錄組、蛋白質組、表觀遺傳組等研究,篩選鑒定了與繁殖及肉質性狀等相關的重要性狀功能基因、調控因子、蛋白及大量的SNP標記,開展了重要經濟性狀的基因定位和遺傳解析。構建了重要功能基因及其調控因子的互作網絡,解析繁殖、生長、肉質差異的分子機制,篩選鑒定了與繁殖及肉質性狀等相關的大量功能基因,建立了分子設計育種新體系。在轉基因動物的研究上取得了新的突破,尋找出了一種易于操作的轉基因動物新方法。

  苗向陽研究員的多項研究工作具有突出創新性,成果水平達到國際先進,對國內外同領域產生較大影響,對轉基因動物新品種培育,提高轉基因動物自主創新能力具有重要意義。一流科研成果的取得,不可能是閉門造車。只有通過與世界一流水平的不斷交流,取長補短,融會貫通,才有可能實現某種重要的飛躍。為此,苗向陽與美國加州大學、哈佛大學、馬里蘭大學等的同行專家建立了良好的合作關系,深入開展了實質性合作研究以及聯合協作培養。通過國際合作和學術交流,拓展了國際視野,提高了國際影響力,進而也為我國相關產業的發展進步做出了重要貢獻。

  苗向陽課題組在國際著名的SCI期刊《Cellular and Molecular Life Sciences》(影響因子7.047)上發表了論文“轉基因動物新技術研究(Recent advances in the development of new transgenic animal technology)”。動物轉基因技術是通過基因工程技術將外源基因整合到受體動物基因組中,從而使其得以表達和遺傳,是21世紀發展最為迅速的生物高新技術之一。此次發表的論文,主要概括了生殖干細胞法、基因打靶法、RNA干擾(RNAi)、鋅指核酸酶-基因打靶技術和誘導多能干細胞(iPS)等轉基因技術的發展動態和實際應用,并基于現有的傳統轉基因技術中存在的轉基因效率和基因表達調控等方面的限制因素,著重介紹了近年來在提高轉基因效率和增強轉基因的精準性方面具有創新性的轉基因技術,并分別對這些新轉基因技術的原理以及具體應用中表現的優勢和不足進行了深入探討。同時,該論文也闡述了轉基因研究的現狀和存在的問題,指出了轉基因未來的發展趨勢,為今后轉基因的研究提供了良好的理論指導和技術支持。

  多年創新科研,取得碩果累累

  十數年的生物基因工程研究生涯中,苗向陽始終矢志不渝在開拓新思維、探索新方法的道路上挺進,為基因工程技術的發展作出了重大成績。

  苗研究員的主要研究成果包括:在國內外首次構建出豬脂肪細胞膜基因工程抗體,對減少豬脂肪含量,提高胴體品質具有重要的實際應用價值,為免疫調節動物生長提供了嶄新的思路和方法。在國內外首次構建了羊抑制素基因工程抗體,可以提高羊、牛等動物的繁殖力,其方法具有明顯的創新性。以新的研究思路對動物免疫方法進行了顯著的改進,極大地提高了免疫效果。從基因表達和miRNA水平上加深對AA肉雞和北京油雞兩個品種胸肌和脂肪組織所具有的特異性狀及其遺傳基礎的認識,為進一步研究中外不同品種雞的生物學特性提供分子基礎;深入研究了動物的天然免疫及抗病基因,篩選出未知功能新基因為抗病育種研究奠定了重要基礎。在國內外首次采用精子和卵母細胞作為載體,探索出一種轉基因新體系,具有顯著的創新性。這一體系的建立對其他動物進行轉基因研究可以提供有價值的借鑒,建立的轉基因技術新體系,可為轉基因研究與應用提供技術平臺。對小鼠體內生殖細胞進行外源基因轉染,研究了精子形成過程中不同階段及不同生精周期制作轉基因小鼠的效率。通過比較精子生成各階段及不同精子生成周期的轉基因效率,為以后通過轉染雄性生殖細胞高效制作轉基因動物提供了科學依據。采用新的轉基因方法成功制備出大量轉基因雞、轉基因及克隆羊,為轉基因動物新品種培育提供了堅實基礎。通過精原干細胞法進行轉染,在轉基因方法的研究上取得了新的突破,尋找出了一種易于操作的轉基因動物新途徑。具有突出創新性,成果水平達到國際先進,對國內外同領域產生較大影響,對培育轉基因動物新品種,提高轉基因動物自主創新能力具有重要意義。對羊雞豬的生長發育等的功能基因組學、表觀遺傳學及分子育種等方面做了大量研究工作,取得了多項重要研究新成果。對于增強我國農業科技自主創新能力,提升動物育種水平,促進農業增效和農民增收,提高我國農業國際競爭力,具有重大戰略意義。

  見微知著,動物脂肪組織調控基因的秘密

  苗向陽研究員及其團隊取得了多項國際一流的科研成果,為了方便起見,此處對其中兩項研究進行簡要介紹,以便起到“窺一斑而知全豹”之效。

  一種調節基因表達的非編碼核酸,靶向脂肪酸合成酶的調控因子及其應用等獲得了2項美國發明專利授權。我國是世界上養羊大國,存欄量和羊肉產量均位居世界第一,但肉羊生產水平較低、品質較差。綿羊對農業方面以及生物學研究來說極其重要,目前對肉用綿羊的遺傳育種研究還略顯滯后。這是由于目前綿羊育種中,伴隨產肉效率的提高,肉產品的食用品質受到影響,不能滿足消費者對肉品質的滿意度。而嫩度及風味是主要的肉質性狀,與肌肉的脂肪酸含量和組成有關,由微效多基因控制,遺傳機理復雜;性狀之間的關聯性,僅僅靠傳統的表型選擇難以改善肌肉脂肪酸特性,需要利用與綿羊肌肉脂肪酸相關的分子標記,進行分子育種。通過對不同脂肪沉積能力的羊脂肪組織基因表達情況進行研究,發現了調控羊脂肪沉積的關鍵功能基因、miRNAs及其靶基因,可以提高動物的肉質,具有創新性和可行性,對肉羊種質資源利用具有重要的理論和實際意義。

  相關成果獲得了國家發明專利3項,美國發明專利2項。為羊脂肪沉積機理研究及利用分子育種改善肉質提供了新的思路和方法,對肉羊種質資源利用具有重要的理論和實際意義。

  豬是全球肉類生產的重要來源。隨著人們生活水平的提高,對豬肉肉質的要求也越來越高。肌內脂肪是影響肉質的重要因素。多年來,在以高瘦肉率和快速生長為目標的選育過程中,豬肉品質下降,主要原因是豬脂肪含量的減少,尤其是肌內脂肪沉積減少。苗向陽研究員及團隊采用多組學及生物信息學方法,發現了參與調控豬肉脂肪沉積的miRNA、mRNA、circRNA、lncRNA及其信號調控通路,構建了其基因表達調控網絡。首次系統深入地揭示了調控脂肪沉積的分子機制,為提高豬肉品質及預防代謝性疾病提供了新的思路和方法,為豬優良種質資源的創新利用和分子育種提供了科學依據,具有重要的理論和實際意義。

  運用系統生物學,提高動物繁殖力

  苗向陽團隊采用功能基因組學、表觀遺傳學、高通量測序及生物信息學等系統生物學方法,對不同繁殖力羊的基因表達情況進行系統研究,發現了調控羊繁殖力的關鍵功能基因和蛋白、新的lncRNAs、 miRNAs及信號調控通路,構建了其基因表達調控網絡,首次系統深入地揭示了羊高繁力性狀的分子調控機制,其成果達到國際領先水平,為羊優良種質資源的創新利用和分子育種提供了科學依據,對于我國養羊業的發展具有重要的意義。

  繁殖性狀是家畜的重要經濟性狀,對哺乳類動物而言,增加每胎的產仔數是提高生產效益的重要措施,具有重要的經濟意義。據美國資料報道,在動物生產中,收入增加的30%-60%是雜交的結果,25%是多胎的作用,15%是個體選育的作用,由此可見提高產仔數具有重要的經濟意義。

  多胎是世界動物生產共同追求的重要目標,但該性狀受多個基因控制,具有加性顯性基因作用模式,只依靠傳統的人工選育是遠遠不夠的。家畜尤其是羊等品種的繁殖力低,在一定程度上限制了我國家畜生產能力的提高。

  經過創新實驗,在先進理論和方法指引下,苗向陽團隊通過構建抑制素INHA基因的新型miRNA、shRNA,轉入動物基因組,抑制動物體內抑制素的表達,可以提高動物的繁殖力,具有創新性和可行性,為提高動物繁殖力提供了新的方法,并獲得了國家發明專利和美國發明專利。

  利用體細胞克隆,創立轉基因技術新體系

  苗向陽研究員利用體細胞克隆等培育優質轉基因動物,獲得大量轉基因克隆動物。在轉基因及克隆動物、轉基因雞的研究領域均已達到國際先進水平。他利用卵母細胞介導法構建的轉基因動物,大膽采用了卵母細胞作為載體,探索出一種卵母細胞介導的轉基因技術新體系,簡便易行,且與其他方法相比,該方法在遺傳學和發育生物學等領域的基礎性研究中具有明顯的優勢。該體系的建立對其他動物進行轉基因研究可以提供有價值的借鑒,尤其對大動物卵母細胞介導法的應用建立了一個模型。在上述成就以外,苗向陽在轉基因雞的研究上也已有了新突破,為轉基因在禽類應用上建立了新模型,并且為利用轉基因雞作為生物反應器建立了一個技術平臺,尋找出了一種易于操作的轉基因雞新途徑。

  苗向陽研究員通過篩選鑒定出了一批與我國主要羊、雞、豬等品種的生殖、生長、品質等重要經濟性狀相關的基因和分子標記,積累了厚實的研究基礎。率先開展了羊、雞、豬等的大規模基因組、功能基因組及表觀遺傳學等研究,克隆了大量重要經濟性狀的羊功能基因,建立了羊的分子設計育種新體系,培育了羊數個不同性狀的家系,開展了重要經濟性狀的基因定位和遺傳解析。進行基因組、轉錄組、蛋白質組、表觀遺傳組和遺傳網絡分析,解析中外羊種繁殖、生長、肉質差異分子機制,篩選、鑒定與產肉性狀相關的分子標記及重要經濟性狀功能基因。利用分子設計等手段進行羊的分子育種新理論與新方法創新性研究,培育出了高產、優質及多胎等多個肉羊新品系。

  隨著人類基因組計劃的順利進行,一個全新的紀元——后基因組時代已然來臨,科技的發展與時代的需要已經向科學家發出了召喚。苗向陽研究員作為生物基因工程領域內的優秀科學家,正在為積極促進學科發展、開創基因工程研究新天地而不懈努力。

  科研成果只有服務于社會生產和生活實際,才能發揮其內在價值。近年來,我國科學家在技術創新尤其是論文方面大有追趕美國之勢,但是在對于解決生產生活實際問題方面卻鮮有佳績。為此,科研成果的產業化轉化就成為當務之急,也是現如今我國各行各業的科研工作者所面臨的重要挑戰。從這個意義上說,苗向陽團隊的研究成果不僅具有理論上的先進性,而且在生產實踐中具有很好的可行性。未來,他將繼續帶領團隊,力爭通過不斷創新,為我國社會和人民奉獻更多的一流的科研成果。

  專家簡介

  苗向陽,博士,研究員,博士生導師,中國農業科學院杰出人才,基因工程和功能基因組學學科帶頭人。獲得山東農業大學學士學位,中國農業科學院研究生院碩士學位,中國農業大學理學博士學位。2009年加拿大圭爾夫大學高級訪問學者,2011年美國加州大學高級訪問學者,2012年美國哈佛大學高級訪問學者。國家自然科學基金、國家留學基金、北京市等10多個省市自然科學基金評審專家、北京市科委評審專家、北京市高級職稱評審專家、科技部重點研發項目評審專家、中國學位與研究生教育發展中心評審專家、江蘇省科技咨詢專家、北京市科技獎勵評審專家。任國際SCI期刊《BMC Veterinary Research》 副主編、《International Journal of Veterinary Science and Research》主編、《Cloning & Transgenesis》、《American Journal of Biomedical Research》、《Journal of Biochemistry and Molecular Biology Research》、《Austin Journal of Computational Biology and Bioinformatics》、《American Journal of Agricultural Science and Technology》、《Journal of Clinical Research and Development》、《Madridge Journal of Food Technology》、《Veterinary Sciences and Medicine》等編委,《Reproduction》、《Genes》、《Cellular Physiology and Biochemistry》、《Scientific Reports》、《BMC Genomics》等評審專家,國際轉基因協會、美國生殖醫學研究協會會員等。2002年評為中國農業科學院杰出人才; 2008年獲國家留學基金獎學金資助及中國科技研發創新一等獎; 2012年獲得美國The Scientific Award of Excellence 獎; 2015年獲得中華農業科技獎一等獎;美國佛羅里達召開的第10屆國際轉基因大會演講人(128人中選定的4人之一),任美國2013基因工程與轉基因動物國際會議大會組委會委員及分會主席;以第一發明人獲得國家發明專利7項,美國發明專利3項,軟件著作權20多項。申請國家發明專利20多項。以第一和通訊作者,在《Cellular and Molecular Life Sciences》、《Molecular and Cellular Endocrinology》、《Reproduction》、《Scientific Reports》、《Cellular Physiology and Biochemistry》、《Frontiers in Physiology》、《Gene》等高影響因子權威刊物上發表論文100多篇,其中單篇SCI論文影響因子5以上(IF>5)的10多篇,英文專著1部。

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