张启发
性别:
男
获奖年度:
2003
获奖奖项:
科学与技术进步奖
获奖学科:
生命科学奖
工作单位:
华中农业大学
张启发,作物遗传育种和植物分子生物学家,1953年12月生于湖北省公安县。1976年毕业于华中农学院,1985在美国加州大学戴维斯分校获得遗传学博士学位,并于该校从事博士后研究工作一年。回国以来历任华中农业大学讲师、副教授、教授、博士生导师,现任华中农业大学生命科学院院长、作物遗传改良国家重点实验室主任、国家农作物分子技术育种中心主任,兼任教育部国家生命科学与技术人才培养基地管委会主任、中国科协副主席、亚洲水稻生物技术合作网络指导委员会主席,以及《中国科学》、《Plant Breeding》、《Theoretical and Applied Genetics》等学术刊物的编委。1999年当选为中国科学院院士,“长江学者奖励计划”首批特聘教授,2000年当选为第三世界科学院院士。
张启发的主要研究领域为植物分子生物学和作物遗传改良,涉及植物基因组分析,重要基因的鉴定、定位与克隆,杂种优势的遗传和分子机理,作物遗传资源的发掘与利用,应用分子生物学理论和技术于作物品种改良等,形成了独自的体系和明显的特色,做出了一些在国际上有影响的工作。
一、水稻基因组研究
构建高密度连锁图谱是基因定位的必要条件,张启发课题组开展了水稻基因组图谱研究,制作了多张高密度的分子标记连锁图,其中制作的籼稻(普通野生稻群体的分子标记连锁图,是当时国内密度最高的分子标记连锁图谱,该图共包括612个分子标记位点,其中RFLP 412个,SSR标记28个,AFLP标记172个,较好地整合了美国和日本研究组分别制作的分子标记连锁图,并新增标记200余个。
该组以遗传作图的方法首次定位了水稻全部12条染色体的着丝粒,使水稻基因组图谱臻于完整。他们鉴定、定位了光敏不育、广亲和、雄性不育育性恢复、稻米品质、抗病、抗虫等重要性状近20个主效基因,确定了这些性状的遗传基础。提出了“极端集团一隐性群”的基因定位方法,该方法在保证灵敏度的情况下,大大地减少了人力物力,目前在基因定位和克隆中已成为一个较常用的方法。该组还以水稻为材料深入进行了数量性状遗传基础的研究,定位了控制产量、分蘖数、穗粒数、品质、粒重、株高、生育期、光敏不育的育性稳定性、籼粳杂种育性以及稻种驯化等数量性状位点(QTL)近80个,系统描述了主效QTL和互作位点在数量性状遗传基础中的作用。针对水稻早期QTL定位多以F2单株为材料,表现型数据不可靠性的问题,他们利用F2单株稻蔸无性繁殖系获得多个克隆,从而能以F2材料作重复实验,提高了数据的可靠性。
张启发课题组研究了栽培稻驯化的遗传基础,发现大量控制驯化相关性状的基因集中分布在少数几条染色体上,为认识理解栽培稻的起源与演化进程提供了重要的理论依据。他们还用分子标记分析了遗传多样性和籼粳分化的关系,阐明了是籼粳分化的质的差别而不是量的差别决定籼粳杂种的育性,在很大程度上印证了我国的水稻育种实践,对亚种间杂种优势的利用具有重要理论价值。
该组还进行了水稻和大麦稻瘟病抗性的比较基因组研究,研究结果发现:数量抗性基因也存在小种特异性,这一发现与几十年一直认为数量抗性不存在小种特异性的认识相反;抗性QTL在水稻和大麦表现出在基因组中位置上的对应性和相同的小种特异性。对多年在植物病理研究中观察到的数量抗性所表现出的持久性的机理提出了新的假说:对任何一个病原,都有大量的QTL参与了对该病原的抗性反应;对任何一个病原小种(菌株)都有一定数量的QTL对其表现出一定程度的抗性反应。因此,在任何寄主—病原系统中,寄主对任何小种的侵染都能表现出一定程度(数量)抗性反应。这些抗性QTL的作用,就是人们所观察的数量抗性持久性的遗传基础。这一工作拓展了国际上关于比较基因组研究的范围,对研究禾谷植物的进化关系以及物种问基因资源的相互利用的可能途径均有重要意义。
二、水稻杂种优势的遗传基础
张启发课题组在国际上率先应用分子标记于水稻杂种优势的研究。他们以强优势杂交稻组合汕优63为对象,应用高密度分子标记连锁图,系统研究了杂种优势的遗传基础,有以下主要结果:
(1)对该组合F2:3群体的分析,在产量及其构成因子遗传基础中揭示出大量上位性效应,提出了上位性是杂种优势重要遗传基础的观点。
(2)构建该组合的重组自交系群体,在此基础上创造性地构建了专门用于杂种优势研究的“永久F2”群体,提出了“杂种优势位点”的概念及其检测方法,全面剖析了杂种优势的遗传基础,以“杂种优势位点上的超显性和双位点杂合体的微弱有益效应的积累”较圆满地解释了汕优63杂种优势的遗传基础。
(3)系统分析了杂种优势与分子标记杂合性的关系,发现分子标记杂合度与杂种优势的相关性与所研究的种质有关。研究结果产生的系列论文先后发表在《PNAS》、《Genetics》、《Theor Appl Gnent,》、《Molecular Breeding》、《Plant Breeding》、《中国科学》等国内外重要刊物上,多次应邀在国际学术会议上作大会特邀报告,结果受到国际权威学者的高度的评价,并被美国出版的植物育种教科书《Principles of Plant Breeding》和《Ann Rev Genetics》大篇幅引用。
三、水稻分子育种
张启发十分注重应用研究的成果于水稻遗传改良,服务于农业生产。他的课题组应用分子标记辅助选择将广谱、高抗白叶枯病基因导入到优良杂交稻恢复系明恢63和6078中,改良了杂交稻的白叶枯病抗性,获得了优良恢复系“明恢63”抗白叶枯病改良版,已推广种植。应用分子标记辅助选择将明恢63的Wx基因区段导入到珍汕97中,使雄性不育系珍汕97与米质相关的三个性状得到了同步改良,从而能显著改良杂交稻米质,该杂交稻目前已进入示范推广。该课题组还与中国农科院、国际水稻研究所合作,培育出抗虫杂交稻,已进入生产示范。
张启发课题组近十几年来共发表论文120余篇,被SCI收录杂志引用1200余次,在国际会议作大会报告与特邀报告30余次,参编专著6部。他于1993获瑞典国王Baudouin奖,1994年被人事部授予有突出贡献的中青年专家称号,1997年获中华农业科教奖,1998年获中国青年科学家奖,两项科研成果获得湖北省自然科学一等奖。张启发已培养毕业了博士生21人、硕士生21人,出站博士后5人、访问学者35人,其中多人已经成为本研究领域的骨干。
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