朱培坤：创造新型植物

2015年1月1日，中国农业部植物新品种保护办公室公布了第93期品种权授权公告，两个由豌豆和玉米染色体杂交而获得的植物新品种——百绿珍玉18和百绿珍玉216，获得了新品种权证书。这意味着，中国人获得的杂交染色体植物豌豆-玉米新品种经过多年测定和分析，最终获得了国家的认可;同时这也表明中国率先获得了纲间杂交植物具有生物功能的杂交染色体。

打破纲间杂交规则第一人

在植物分类学上，豌豆属于双子叶纲豆科植物，玉米属于单子叶纲禾本科植物，纲间杂交在过去是根本无法想象的事。因为在植物遗传学和植物育种学中，远缘杂交不育不结籽不传代是有史以来公认的规则，而纲间杂交更是被认为根本不可能发生的。现在中国农业部决定对两个豌豆-玉米杂交组合授予新品种权，意味着这一世界性难题终于被中国科技人员朱培坤一举攻克。

在这一过程中，深圳大学、复旦大学和香港科技大学的专家学者对杂交植物豌豆-玉米进行了多种免疫电泳分析，证实杂交玉米表达并存在不少豌豆蛋白，从而证明豌豆和玉米之间的大量基因进行了杂交并通过表达从而获得杂交植株，从此人类正式进入了改造各种禾本科粮食作物的新时代。

而豌豆-玉米染色体荧光原位杂交成像照片也清楚地显示，有半数以上的染色体是由红蓝两色组成的，说明豌豆的确和玉米异源的染色体DNA和玉米的染色体DNA杂交形成了新核型染色体。虽然和玉米同源的染色体DNA无法显示，但是通过对每条染色体的长臂、短臂、着丝点等的测量，可以知道它们都发生了杂交。通过豌豆染色体和玉米染色体的全面杂交，豌豆-玉米的10对共20条染色体的每条染色体都成了杂交染色体。

作为高等植物染色体杂交技术的发明人及其学术理论的奠基人，朱培坤从1982年起从事探索高等植物的非常规杂交，起初只是为了想将青菜和大蒜两个“非亲非故”的物种进行杂交，从而期望青菜带上大蒜味，来拯救饱受带毒蚜虫之害的上海青菜。因为他认为“蚜虫最害怕闻到大蒜的味道”，所以一旦青菜散发出大蒜味，就能达到不让上海青菜病毒病的介体——携带感染青菜病毒的蚜虫四处传布危害青菜的病毒。由此起步，经过漫长的探索，朱培坤最终在2001年攻克禾本科粮食作物的染色体杂交，揭开了高等生物染色体杂交的秘密。这个发明让高等植物的杂交不再受到任何种属的局限，从而让高等植物可以自由进行染色体杂交。2011年，山东科学技术出版社出版了他的专著《高等植物染色体杂交》，这是世界目前唯一一本关于高等生物(植物)染色体杂交的专著;2012年该书获得华东地区科技图书一等奖。

过去人们所说的杂交，往往是指有性杂交即同种作物内不同品种之间的杂交。而朱培坤的研究，则是把任意一种植物的染色体导入另外一种植物的受体细胞内，通过对杂交染色体细胞的分化培育，获得具有杂交染色体的新类型植物——从理论上说几乎是可以将任何两种或多种高等植物进行染色体杂交，从而创造出人类所需的各种新类型植物。

比如将耐盐碱、耐干旱的植物大米草、骆驼刺等的染色体和粮食作物细胞里的染色体杂交，就取得了可以直接在盐碱地、山坡地种植的粮食新品种;将高营养的作物与高产量的作物杂交，就可获得高产、高营养的粮食新品种，如亚麻-玉米等。目前他已经创造出了豌豆-玉米、小麦-玉米、水稻-玉米、大米草-玉米、大米草-水稻、高粱-水稻、玉米-水稻和玉米-小麦等一系列100多个新类型粮食作物。在农业部最近授予的两个豌豆-玉米新品种之前，他发明的水稻-玉米和小麦-玉米已分别在2009和2010年获得农业部颁发的植物新品种权证书。

记者不久前曾赴江苏省宿迁，目睹了宿迁引进种植的染色体杂交粮食作物亚麻-玉米。在深秋的塑料大棚里，亚麻-玉米结出了硕大的棒子，散发出淡淡的幽香，种子的苞片类似亚麻种子的苞叶比较硕大，亚麻-玉米的果穗、籽粒油亮发光，无论看起来还是摸着都有油滋滋的感觉。

尽管即将收获的亚麻-玉米还没有经过营养成分测定，但是此前在陕西地区对另一个品系的亚麻-玉米的后代进行生化测定和分析已表明，从亚油酸(十八碳二烯酸)的结果来看，与对照玉米相比较，油酸最高增幅达26.81%，而且亚油酸普遍增高，改善了玉米的营养品质。

生命科学的里程碑

高等植物杂交染色体的创制，将会深刻影响农业种业的发展。2014年3月下旬，在美国的《Science》和英国的《Nature》上，西方科学家发表了人工合成酵母菌3号功能染色体成功的文章，西方科学界一片欢呼，称其是世界生命科学的一个里程碑。

酵母菌是单细胞生物，是最低级的真核生物。朱培坤认为，尽管这是人工合成的最低级真核生物的一条染色体，但确实是合成生物学的一座里程碑。但是，从宿主生物的复杂性来看，高等植物创制具有生物功能的新核型染色体尤其是创制细胞里所有的新核型染色体，并在具有完善的生物功能的基础上分化成染色体杂交植株，从而保持遗传稳定代代相传，形成一个植物新品种，并不容易。

事实是，朱培坤在2001年就获得豌豆-玉米杂交植株，也就是说人类已经获得人工创制的豌豆-玉米杂交染色体，比西方国家人工合成的酵母菌3号功能染色体早了13年。朱培坤的方法是，将外源的异源的染色体，例如豌豆的染色体导入受体玉米细胞里，让两者进行染色体杂交形成新核型的豌豆-玉米杂交染色体。这种杂交染色体表达出新的生理和遗传功能，具有杂交染色体的受体细胞分化成杂交植株，经过遗传育种形成新品种植物——豌豆-玉米，中国农业部已授予这2个豌豆-玉米新品种的品种权号分别为CNA20070520.2和CNA20080127.9。中国人获得高等植物人工杂交染色体的思维与技术和西方科学家们获得酵母菌人工3号功能染色体的思维与技术虽完全不一样，但都是通过人为的方法创制染色体。

创新染色体的途径

据了解，想获得任何新类型植物以及植物新品种，必须先要获得被创制的新核型染色体。创新和合成植物染色体有多种技术和方法，主要分三大类：有性杂交(花粉授粉)、体细胞杂交(原生质体融合)和植物染色体杂交。辐射和太空育种等物理化学方法则是通过改变染色体及其基因，从而创造出新品种。

植物有性杂交分为近缘杂交和远缘杂交二种。近缘杂交在同一个物种内不同品种间的植物用花粉对柱头授粉进行杂交，如杂交水稻;远缘杂交在不同的物种甚至不同的属间进行花粉授粉杂交，如李振声院士育成的小偃麦品种就是通过偃麦草(父本)和小麦(母本)进行远缘杂交获得的。远缘杂交几乎不会发生在科目之间，至于在纲之间更是闻所未闻。

植物体细胞杂交是将植物不同种、属，甚至科间的原生质体通过人工方法诱导融合成一个细胞，然后对融合细胞进行植物细胞培养，使其再分化出杂交植株。1972年，美国科学家Carlson首次获得人类有史以来第一个植物体细胞杂种即粉蓝烟草和郎氏烟草的体细胞杂种，但没有证据显示细胞内的染色体发生了杂交。植物体细胞杂交在上述经典的方法上又衍生出很多方法，使得融合细胞的染色体发生各种各样的变化。

而植物染色体杂交技术不采用植物的有性细胞和有性途径，根本不必考虑种属科目纲门的生殖隔离;也不采用细胞的融合。植物染色体杂交技术直接将外源的异源的染色体及其片段导入受体细胞内使其和胞内染色体发生融合杂交，从而形成新核型的杂交染色体。这一技术既巧妙地创新了染色体，同时又引进了大量外源的异源的多基因。

“虽然西方成功合成了酵母菌3号功能染色体，但是要解决高等植物的多基因改造，要有效快速地创造植物新品种，可能还得考虑可行的创新高等植物染色体的途径”，朱培坤表示。西方社会有一句谚语：上帝创造物种。可见创造物种的不易。现在，植物染色体杂交使得人类创造植物物种向前跨出了具有实质性意义的一步。目前，通过植物染色体杂交可以自由创造植物新品种，也就是说可以自由创造植物新核型杂交染色体。一旦攻克这一关，人类离创造植物新物种就为期不远了。