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关于北京春天漫天飞扬的杨柳絮,林大的这位教授曾研究了20年

2021-04-22 10:10

北京日报

记者:刘冕

康向阳的高考志愿报得“很实用”。最想选太阳能方向。理由是最廉价,不花钱就能获得取之不竭的能量。

其次,选生物技术方向。我国人口众多,人人都要吃饱饭,就一定要像科幻小说里畅想的那样,建造植物工厂,培育如同高粱穗般饱满的水稻。

最后,这个内蒙古赤峰少年被治沙专业录取了。“报这个专业是因为秦牧的一句话,‘让不毛之地长出庄稼’。当时的我觉得,如果能在荒芜的沙漠里收获,这一定就是老师说的实现了人生的价值。”


康向阳

40年转瞬,康向阳成了北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心学术带头人、生物科学与技术学院教授、博士生导师,专攻林木染色体组操作育种技术方向。在他带领的团队成绩单上,是一项项突破性进展:攻克杨树染色体镜检技术难关,发现首例毛白杨天然三倍体;突破了花粉染色体加倍诱导白杨三倍体的一系列难题;发明了“树木高温加倍器”,突破不能离体处理的高大乔木树种进行高温诱导配子染色体加倍选育多倍体的技术障碍;将白杨染色体加倍技术引入青杨、杜仲多倍体育种,在世界上首次人工诱导获得青杨杂种三倍体、四倍体,以及杜仲杂种三倍体……这些研究成果对于普通人来说,读起来都很拗口,但在业内的影响是巨大的,对于缓解我国木材进口压力、减少天然林采伐、保护生态环境意义重大。

“少年时的志愿都通过育种工作实现了!”坐在满是绿植的办公室里,康向阳笑着解释:“我现在的工作就是通过促进现代生物技术与传统育种相结合,培育高效利用太阳能的林木新品种,让国家有限的宜林地资源创造出更高的经济价值。与当初梦想惟一的偏差,恐怕就是研究的对象不是水稻。”


康向阳带领相关企业赴河北威县基地考察

无心插“杨”

每年春天,漫天飞扬的杨柳絮都会成为京城一道恼人的“风景”,为此,市园林绿化局和市气象局还会联合发布杨柳飞絮预报,提醒市民在飞絮期间使用一次性防尘口罩、墨镜、防护镜、纱巾等做好防护。

这种飞絮成灾的情况并非自古就有。上世纪九十年代前后,北京城市道路两旁广植杨树,洒下一片片树荫,当时栽种的树种多是雄株毛白杨。但到了2000年前后,由于城乡道路改造以及生态环境建设,北京种植了大量杨柳雌株品种,出现了杨絮影响人们生活的情况。

“解决杨柳飞絮问题其实很简单,只要在城乡绿化和用材林栽培中替换种植雄株品种即可。”康向阳会不自觉地给人做科普,杨树是雌雄异株,飞絮实际就是雌株果实成熟后附着在种子上的种毛。一般4月上旬到5月上旬,毛白杨、柳树、青黑杨杂种、黑杨等种子依次成熟,形成持续40天左右的杨柳种絮漫天飞舞的景象。为解决此杨絮恼人的现象,北京林业大学已经选育出生长迅速、树形美观、雄株不飞絮的国家良种‘北林雄株1号’(S-SC-PB-006-2014)与‘北林雄株2号’(S-SC-PB-007-2014)。

这两串括号里的编号,是获批“国家林木良种”的标志。鲜为人知的是,为了这两个良种,康向阳和同事们花费了20年的时间。

忆起当年,康向阳一笑了之:“肯定有各种曲折,但就是各种小意外凑到一起。我一个治沙专业的大学毕业生,去了甘肃农业大学当老师,还‘转’到了林学院,研究方向也改成了遗传育种。”

所谓育种,最浅显的理解就是选好品种,提高产量。著名科学家袁隆平干的也算是育种,他带领团队屡破超级稻单产世界纪录,让更多人远离饥饿。

上世纪八十年代,林业部和国家科委将解决木浆原料问题列入国家科技攻关课题,其中毛白杨的专题负责人是北林大教授朱之悌。不过当时的康向阳还在甘肃农业大学任教,上班之余,和畜牧学院、经管学院、水力学院等各个学院的年轻人一起讨论,探秘各行各业的新技术。“就是什么都好奇,都想学。”

他没想到的是,就是这些“自学”,让自己距离梦想又近了一点。“有老师建议我继续深造,恰巧碰到北林招研究生,我就憋足了劲儿学习了两个多月。真考上了!导师正是朱之悌先生。”康向阳边用手比划着边说,“在甘肃的时候就听说过朱先生的研究,非常了不起。他培育的杨树三年胸径就能长到12厘米;而如果是正常条件下,一般只能长七八厘米。”

入学后,康向阳与老师讨论自己的研究方向,“朱教授参与培育的毛大杨在内蒙古等纬度偏北的地区推广种植,所以我最初想的是研究这种树的抗寒问题,等追踪性研究结束后,顺利拿到毕业证,还回甘肃。”他回忆,“朱先生没说行,也没说不行,就跟我说那你写吧。”

小伙子是真没听出话外音,让写就去写。结果开题报告来来回回写了半年,反反复复地被打回来。“都是手写,每次三四页的信纸。朱先生也不告诉我为什么不行,每次都是态度很好的退回来。”

这也算是当时老教授们磨炼年轻学生性子的一种方式,做科研确实会面对各种各样的问题甚至失败,做科研的人需要像杨树一样百折不挠,在哪儿都能生根发芽,长出粗壮的枝干,无畏风雪。

“最后实在有点没招儿了,我就把在甘肃农大自学的染色体核型分析写进去了。真就成了!老师在这几个字上画了个圈。”康向阳说,后来才知道当年朱先生招我当研究生,其实就是看中了我学过这方面的知识,而且有一定的实践经历。

当然,研究对象也改了。“就是我在甘肃时曾听说的长得特别快的那种树。”康向阳掰着手指说,朱先生的老师用毛白杨和新疆杨杂交出毛新杨。朱先生又用毛新杨当母本,用毛白杨当父本,得到了优秀的后代。朱先生的猜想是新疆杨的染色体替换了毛白杨不太好的染色体,所以新品种长势更好。而此时,新品种中新疆杨的染色体占四分之一,我的任务就是通过染色核型分析,精准地分辨它。

任务接了,康向阳心里却没底儿。“在甘肃时利用去壁低渗技术做过河北杨染色体,知道杨树的染色体大多呈点状,非常小,难以分辨。”

查阅了一圈儿资料,康向阳了解到农科院有一位专家发表了小麦染色体原位杂交的论文,能够证明哪些染色体是外源。他建议导师考虑也走这条路,被采纳了。

几经曲折,最终实验开始了。初春,康向阳到河北易县的育苗基地,采了满满一大瓶子杨树芽,小心翼翼地带回北京实验室。“第一步是完成染色体制片。”康向阳说,结果一看不得了,这个染色体怎么这么多,不是想象中的38条,足有57条。

原来眼前的杨树是三倍体植株。一般情况下,多倍体植株的特征是茎粗、叶大、花大、果实大。最简单的,四倍体番茄的维生素C含量比二倍体的品种几乎增加了一倍。这也解开了这种杨树长势迅猛的原因。

回望当年,科学家们培育多倍体不忘初心。朱之悌当年曾说,1998年,我国年进口纸和木材近100亿元。这是国家的钱,是一个并不富裕的国家的钱,我心疼,我就想着能不能把这些钱省下来。

科学家的心里,装着国家。


桉树三倍体‘京桂1号桉’与二倍体品种

20年育良材

康向阳的研究方向也随之调整了。“博士论文就是关于花粉的染色体加倍。”康向阳特意将晦涩的科研,用更简单的词汇翻译过来,就是研究如何利用二倍性的花粉去培育三倍体,目的还是为了选择更好的杨树品种——既要长得快,还要长得好。

“染色体加倍的过程,简单描述就是抑制染色体发生分裂。”康向阳说,我们要做的就是在染色体分裂后即刻叫停,不让细胞分裂,而仅仅是染色体一分为二,形成加倍。

这种摸规律、掐准点儿的理论,不仅应用于杨树,还用到了桉树、杜仲等后续树种的多倍体加倍过程中。不过,这些都是后话。

真正实操起来,步步谨慎,处处精心。“最初做多倍育种,一次取好多花枝,同时放在温室里的十几个水桶里水培。”康向阳解释,每天处理一桶,所处的花期都不相同,总有一天能碰到最好的那个。

这种研究方式,外行人都能感觉出来,是对人力、物力的一种消耗。不过科研人员最不怕的就是麻烦。康向阳说:“科技的问题,总会有办法的。”

还有一个难题,也让康向阳颇费了一番心思。在自然界,植物成熟的花粉粒传到同一朵花的柱头上,受精结实。但二倍性的花粉个头大,在萌发过程中却是慢性子,竞争不过小花粉。这就造成了得到三倍体合子的概率会低。

为了提高大花粉的竞争能力,康向阳和同事们尝试了各种方法。电场分离、离心分离、风力分离,结果都失败了。他笑着说:“现在想也都能想明白,搞生物的去搞机械,能不失败么?!”

白天琢磨,晚上也惦记着。有一天,康向阳在宿舍床上躺着,突然想起曾经读过的《辐射生物学》里提到,不同倍性体对辐射有敏感差异。换句话说,花粉照个“X光”,大个头的二倍体和小花粉就可以自觉站队分拨了。

“一下子灵感就来了。”他说,当时附近的医院有辐射室。得知我们的需求后,允许我们花钱给花粉做“放疗”,达到促进大花粉生长、抑制小花粉发育的目的。“这次成功了,多倍体育种的成功率一下子翻倍了。”

有没有考虑辐射也会给人体带来一定隐患?康向阳愣了一下,摆摆手:“会有影响,但只要按规范操作就不会造成伤害。我们是做科学的,首先要相信科学。”

育种过程中还有个意外。“女孩往往比男孩发育早,植物也类似,大多数雌株在苗期会优于雄株。‘北林雄株1号’和‘北林雄株2号’偏巧都是‘男孩’,这就是巧合,不是人为控制的。选它俩,关键还是够优秀。”

多优秀?它们是国内外首次通过人工诱导花粉染色体加倍选育出的两个雄性白杨异源三倍体新品种,生长迅速、树形美观、纤维长、抗风能力强,可快速出圃、成林,不仅可以一定程度缓解我国巨大的板材需求,而且雄株不飞絮,也是治理杨树飞絮问题的适宜替换品种。

成绩背后,是朱之悌、康向阳和团队同事们20年的默默努力。他们在实验室里反复试验,在山东冠县长期蹲点儿,奔走于北京和河北威县。

当年,朱之悌开玩笑说:“今天的苗儿,明天的林,后天就有厂!这才是我们的终极目标。”当年出圃、一年成树、三年成林、五年成材的特点,改变了人们对林木生长周期慢、见效慢的认知。康向阳也称得上是出色的推广家,一直在实现科研成果转化成现实生产力的路上努力。

这个目标已经实现了。在建立国家良种‘北林雄株1号’和‘北林雄株2号’组培繁育技术基础上,康向阳带领团队在北京黄垡、山东冠县和河北威县生产扦插和嫁接苗1300多万株。与一批企业和单位合作,将千万株‘北林雄株1号’和‘北林雄株2号’,推广到北京、山东、河北、河南、山西、西藏、新疆等地。

系马倚白杨,谁知我怀抱。高大挺拔的白杨,是我国特有的乡土树种,代表着朴实、坚强和力求上进的精神,而默默无闻的科学家们是这种精神最好的践行者。


杜仲三倍体新品种‘京仲1号’‘京仲2号’‘京仲4号’与二倍体良种‘秦仲1号’相比优势突出。

南树北“植”

如今,杨树仍在康向阳的研究领域。他一边指导学生们继续深耕,一边把自己的研究重点转向了杜仲和桉树的多倍体培养。

这两种树,祖籍都在南方,听上去就颇具挑战。

“我办公室的窗外就能看到杜仲树。”康向阳往窗外指,这种树是第三纪孑遗树种,被誉为植物界的活化石,绝对的中国特产。

上世纪五十年代初,面对欧美对我国急需的橡胶等战略资源的封锁,当时的苏联专家建议我国开发杜仲胶资源,并被国家采纳。不过由于技术手段有限,杜仲只能入药,从叶片中提取的胶没有弹性,像是一坨黑色的塑料,没办法应用。一直到上世纪九十年代中叶,我国才有专家解决了硫化的问题。

“杜仲的用途不仅能入药。”康向阳掰着手指夸杜仲,叶片内含有绿原酸等70多种活性成分,具有降血压、血糖以及提高免疫力和抑癌等功效。杜仲叶粉等可作为抑菌和增强免疫力的饲料添加剂原料使用,市场空间巨大。杜仲又是极具潜力的温带胶源树种,利用杜仲胶的热塑、热弹、共混等特性,开发新型功能材料具有低温可塑、抗撕裂、耐磨、防腐蚀、透雷达波、储能吸能、减震、形状记忆等功能,市场潜力巨大。

不过,杜仲叶片含胶量只有2%至3%,胶提取成本高,也成了限制杜仲产业发展的难题之一。解决这个问题,康向阳提出的办法是培育多倍体,提高叶片杜仲胶等次生代谢产物含量或单位面积叶片产量,并实现综合开发利用。

换了个树种,依旧是做染色体加倍。康向阳用一句话将无数艰辛带过:“有了前面的经验,解决这些问题的时候就有了窍门。”

即便如此,“选育良材二十年”的老话儿依旧适用。几十年如一日的坚持,他们最终获得了世界上首批杜仲三倍体新种质,并从中选育出‘京仲1号’‘京仲8号’等8个杜仲三倍体新品种。研究表明,杜仲三倍体新品种具有生长快、叶片巨大、药效成分等次生代谢产物含量高等特点,其中8个杜仲三倍体新品种平均高生长速度比二倍体快30%以上;叶片杜仲胶含量比二倍体高20%以上;桃叶珊瑚苷、绿原酸等药效成分含量甚至成倍增加,产业应用优势凸显。

康向阳还给出了更精准的产业利用方向——分部位综合利用:叶脉和树皮制胶、叶肉制药、茎秆制作重组木,实现“一份原料,多重收益”。

同步推进的还有桉树的科研攻关。

桉树是世界三大用材造林树种之一。我国桉树人工林种植面积超过540万公顷,每年为我国提供超过27%的木材,综合年产值超过3000亿元。“我们的研究还是基于杨树多倍体育种经验。”康向阳说,我们首次成功创制出来源于大孢子染色体加倍的桉树三倍体新种质,完成了半个多世纪桉树育种人未能解决的夙愿。

康向阳说,他所在的北京市林木分子设计育种高精尖创新中心,汇聚了一批世界林木遗传育种领军人才,创造了更好的林木育种的研究空间和环境。

正是莺飞草长的季节,康向阳的梦想仍在继续。

(原标题:向阳而生)

来源:北京日报

记者:刘冕

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