2.2　植物分子生物学和生物工程

　　1983年以后，吴瑞教授将其研究方向逐渐由DNA测序及克隆转向了植物生物工程。这次研究方向的转变得追溯到1980年。吴瑞第一次回国时了解到，当时国内有些地区依然存在粮食不足的状况。随后他又注意到，不仅在中国，在东南亚的一些国家（如印度、马来西亚等国）和非洲，粮食问题均是有待解决的严重问题。出于“科学应当为人类福利有所贡献”的想法，吴瑞此时动起了再度转变研究方向的念头。他想，经过这些年的发展，DNA测序和克隆方面的工作已开展得相当好了，他应当开始一个新的领域。如果他能用已有的知识和技术在植物方面做些研究，就可望从增加粮食生产、减少粮食损失方面对人类福利做出贡献。
　　经过两年多的思考和调研，1983年，吴瑞决定开始做水稻的分子生物学、基因克隆和基因工程的研究，因为水稻是中国和东南亚国家粮食的主要来源。在这些国家，随着可耕土地的减少、人口的增加，粮食不足的问题将会愈加显著。为了增加粮食生产，除了人工杂交和田间管理，植物基因工程不失为一种潜力很大的增产措施，它可以超越物种间的界限，将其它植物、动物、微生物的一些优良品性的基因用基因重组及基因转移的方法转入水稻中，使其增产或减少损失。
　　一直以动物和微生物为研究材料的吴瑞教授意识到自己在植物方面没有经验，然而，他充分认识到他拥有有利条件：此间他的实验室已有国内前去进修深造的访问学者和研究生，其中不乏学植物出身者，分子生物学与植物学相结合，困难将会解决。在大陆访问学者和学生们的协助下，吴瑞小组的水稻分子生物学研究如其计划逐步开展起来。由于经费限制，起初规模并不大。1985年，美国洛克菲勒基金会发起了“水稻生物工程”项目，此时吴瑞的实验室已有一定的工作基础，因而获得了洛氏基金会的资助，直至今日。有了经费保障，吴瑞小组的工作得以加强，成为实验室的主导研究。他们从基础研究入手，对水稻进行了基因分析，找出不同的启动子并对其进行构建、诱导，继而进行水稻基因的转化/再生等研究。1988年，他的实验室培育成功转基因水稻。当年，国际上有三个实验室几乎同时得到了转基因水稻成功的结果，吴瑞的实验室第一，比第二个实验室（日本的实验室，已从事5年研究）早几天把论文寄到杂志去发表；第三个实验室是英国科金博士（E. C. Cocking）的实验室，已从事10多年研究。由于吴瑞采取了正确的决策，他的实验室仅用两年时间就赶上了其他实验室，成为该领域的领先者、世界上最早转基因水稻成功的三个实验室之一。
　　1993年以后，吴瑞小组的工作由基础转向应用研究，同样取得了重要成果。他的实验室工作在如今已发展起来的为数众多的实验室中仍据前位，他是国际水稻遗传工程协作组的负责人之一。他在从事水稻研究后的重要贡献主要有以下两点：（1）最早将粒子枪（基因枪）用于植物的转基因技术中；（2）首次用遗传工程的方法产生出具有耐旱、耐盐性能的转基因水稻植株。
　　2.2.1　最早将粒子枪（基因枪）用于植物的转基因技术中　在对水稻进行转化/再生研究时，吴瑞注意到，用植物的原生质进行转化/再生不易成功，即使成功，再生的水稻也不太正常，似有突变存在。究其原因，可能与长期用细胞的培养及植物的细胞膜被去除有关。如果不用原生质细胞，而将外来基因设法转入不受损的细胞中，就可能会减少异常植株的发生。1986年，康乃尔大学的桑福德（John Sanford）等人设计出一种能高速发射很小的粒子的装置。吴瑞获悉此事后，立即想到这种装置可以用于植物基因的转化，于是他与桑福德教授开展了合作。1987年，他们首次成功地用该装置将DNA打入到洋葱细胞中，看到了基因表达^［25］。进而他们又用该装置对水稻、小麦和黄豆进行了转基因试验，于1988年获得首次成功^［26］。此后，用于生物系统的这种装置被称为“基因枪”。到1992年，吴瑞等人已建立起用基因枪转化基因的系统，该系统现已经被包括国内有关实验室在内的国际上许多实验室采用，并被用于对动物细胞的转基因研究，以进行基因治疗的尝试。使用基因枪可以大大提高植物转化/再生的成功率，小麦、玉米的转基因是在使用了基因枪后才获成功的。
　　2.2.2　用遗传工程的方法产生出具有抗虫和耐旱、耐盐、耐寒的转基因水稻植株，并经田间试验获得成功　该项工作始于1993年。经过3年努力，他的小组将来自于土豆的一种蛋白酶抑制素基因和来自大麦的具有耐旱、耐盐特性的LEA3基因分别转入2种水稻中，产生出具有抗虫和耐旱、耐盐性能的转基因水稻植株。这些转基因植株的第3代和第4代在暖房种植的结果表明，有关特性能够遗传^［27,28］。
　　据估计，全世界水稻年产量约为5亿吨，每年因受虫害和干旱而造成的损失大约达到1亿吨。为了对付虫害，人们每年不得不使用大量杀虫剂。这样造成的后果是，不仅耗费大量资金和人力，而且会带来环境污染、导致生态平衡的破坏乃至危及人类自身的健康。同时，危害作物的害虫还可以产生对杀虫剂的抵抗性。为了减少损失，育种家往往通过杂交的方法来选育出具有抗虫、耐旱、耐寒等特性的水稻优良品种，但这毕竟有很大的局限性，特别是，难以实现物种间的杂交。用基因工程的方法，将来自不同物种的抗虫、耐旱、耐盐碱的基因转入水稻细胞，所培育出的具有上述抗性的转基因水稻可克服和避免上述使用杀虫剂和人工杂交的弊端和不足，带来很大好处。特别是，在水稻上的成功方法有望推行到单子叶的其他谷类作物，如，玉米、小麦、燕麦、高粱等作物上，从而使整个谷类粮食作物的产量得到提高，以满足人类对粮食的需求^［29］。正因吴瑞小组的工作具有重要现实意义，他们的成果于1996年发表在《自然生物技术》及《植物生理学》杂志^{［27，28］}后引起了当地社会的广泛关注和重视。“伊萨卡杂志”^［30］和“康乃尔大事记”^［31］分别于当年6月7日和13日以“科学家在康乃尔帮助制造超级水稻”和“具有超级抗性的水稻植物技术将有益于发展中国家”为题，在头版详细报导了这两项成果，称转基因水稻为“超级水稻”，高度评价了其意义。“美国之音”和英国的BBC也曾为此访问过吴瑞教授，并制作了有关节目播出。美国洛氏基金会有关负责人对此也高度评价说，吴瑞和他的同事们“通过证明生物工程可以用来提高水稻对害虫和恶劣环境的抗御能力、满足世界对食物的需求，做出了有意义的贡献”^［31］。
　　吴瑞小组还致力于将几种不同的基因转入到一种水稻，使之具有潜在的对于浓盐、寒冷或干旱的较强耐受力，或对疾病和寒冷具有抵抗力，从而成为真正的“超级水稻”。他们关于转基因水稻的研究成果已有三项申报了美国专利，其中2项已获得批准（水稻肌动蛋白基因启动子，美国专利号5641876，1997年6月24日授予；蛋白酶抑制素基因转基因水稻，美国专利号5684239，1997年11月4日授予）^［7］。
　　面对成功，吴瑞教授保持着冷静的头脑，毕竟这只是成功的开端，转基因水稻由实验室成功到向大田推广，成为实用的技术还有许多工作要做。他这两年来为此目的而与中国的大陆和台湾以及东南亚一些国家的有关机构建立联系，谋求合作与发展，以使植物生物工程能真正为减少粮食损失、实现增产丰收而作出贡献。在通往实用化的道路上，摆在他们面前的困难还很多。然而，对于正在开展的事业，吴瑞教授充满了信心：水稻生物工程的应用前景很大。目前，全世界从事水稻生物工程的研究机构已发展到上百个。作为国际水稻生物工程的领先者之一，吴瑞教授相信，随着科学家们的共同努力，到2020年，种植超级水稻将会使世界水稻年产量比现在至少增长30%，由此每年可为数千万更多的人提供粮食。如果届时水稻的年产量可比现在增加1.5亿吨，并且对水稻有用的基因可以转入到其它主要谷类作物，如小麦和玉米上，那么，就有希望使全世界小麦和玉米的年产量比现在增加3亿吨。这将对增加全球粮食生产、满足人民需要产生积极、重要的影响。

3　对中国科学的贡献

　　作为一名海外华人学者，吴瑞教授继承了父亲的事业和父母的爱国之心。早在1955年取得博士学位后，他就有回国工作的打算，准备读完博士后启程。由于当时国内政局关系，他的这一计划未能实现。不仅如此，自从1957年后，他和家人还不得不与在国内的亲友中断了联系，这一断就是20多年。期间，他们无时不在思念着大洋彼岸的亲友，关注着祖国的命运和前途。
　　美中关系正常化以后，吴瑞教授立即与母亲和家人一起寻找在国内各地的亲友，恢复了中断多年的联系。1980年，他们一家首次回国探亲访友。踏上阔别已久的国土使他感到分外欣喜与激动，他想，他应当为自己的祖国做些什么。发展中国的科学事业是他父亲的一生愿望。由于历史原因，父亲的这一愿望未能完全实现。现在时代已变，经过多年的动乱和创伤，中国正需要恢复和发展。作为一名科学家，他要实现父亲的遗愿，为国服务。母亲是他的最有力的支持者与合作者。此后，他平均每年回国一次，进行讲学、合作研究或参加学术会议，帮助中国培养生物科学人才，并为中国科学事业及农业的发展献计献策。

3.1　帮助培养中国生物科学人才

　　20世纪50年代以来，随着DNA分子双螺旋结构的问世、分子生物学的诞生，生物科学迅猛发展，越来越对社会经济、人们的生活、医疗保健、农牧业发展等方面产生着重要的影响。尤其是70年代后兴起的生物工程对整个人类社会产生的作用之大，不可估量。这位处于国际分子生物学前沿领域的科学家看到国内科学的春天已到，为之振奋、鼓舞，感到应当为之做出贡献。他想，分子生物学和生物工程这类在国际上新兴的学科如果能尽早在中国建立、开展，则将不但会使中国尽快缩小与国际水平的差距，而且会给国家和人民造福。但是，由于文革十年动乱所造成的大学和研究机构瘫痪，使振兴科技的最重要的因素——人才严重匮乏。没有具相当素质的人才，发展科学便是一句空话。
　　受到美籍物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道教授发起中美物理学联合招生项目（CUSPEA）的启发，1981年，吴瑞教授发起、与国家教委（当时为教育部）联合举办了中美生物化学联合招生项目（CUSBEA）。他作为美方负责人，与国内主办单位北京大学合作（由张龙翔校长和顾孝诚教授等负责），选送中国学生物科学的学生赴美深造。在该项目实施过程中，包括出试题、请美国名牌大学教授来华面试、帮着联系学校乃至推荐学生等在内的许多事情他都曾亲自过问。至1989年该项目结束，共选送了400余名优秀学生赴美，分布于80多所大学的生物化学或分子生物学系攻读博士学位。1983年以后，美国许多重要大学已有充分信心接受来自中国的生物化学和生物科学相关专业的大学毕业生，因而，有更多的自己申请攻读博士学位的大学毕业生被美国学校录取。如今，赴美深造的学生中，有近100人现在是美国重要大学的骨干职员或有关工业的重要成员。这些有造诣的年轻生物科学家中的许多人最近走到一起，成立了“吴瑞生命科学学会”（Ray Wu Society for Life Sciences, Inc.)，该会目的包括（但不限于），通过推动该会成员之间以及该会成员与中国生命科学家之间的相互交流与合作来促进生命科学的发展^［33］。
　　为了帮助这些海外学子了解祖国，为祖国服务，1993年，吴瑞教授又与北京大学生物系（现为生命科学院）合作，发起、组织了每年一度的“海外及归国中国生物学者生命科学暨生物技术讨论会”^［34］，该会吸引了许多在国外工作的留学生物学者回国参加学术讨论会，并借机对国内情况进行了解，以各种方式回国工作，为发展中国生物学事业贡献力量。通过该会回国的几位留学人员目前已成为有关单位的学科带头人。
　　吴瑞教授还是康乃尔-中国研究员基金项目（Cornell-China Fellowship Program)的科学顾问委员会主席。该会成立于1993年，受到美国洛氏基金会的资助，宗旨是为那些在国外已取得博士学位、做过博士后、有一定工作成就又愿意为祖国服务的留学生与国内的有关机构牵线搭桥，建立合作联系，并资助这些人回国工作的往返机票和部分生活费（每年支持48位），前提是，他们必须（1）有真才实学；（2）回国扎实工作而不是探亲、走过场；（3）连续3年，每年保证回国工作2个月左右。吴瑞负责为该项目挑选人员。在他和全体组织者的努力下，该项目在国内的3个机构：北京农科院、清华大学、北京医科大学实施几年来，已取得比较满意的效果，得到了政府和国家自然科学基金委的支持。
　　 除了帮助选拔人才出国深造并鼓励他们为国服务，吴瑞教授还亲自培养了不少来自中国的留学生。1980年以来，他在康乃尔大学自己的实验室结合有关课题研究，先后培养了30余位中国访问学者、博士(后)，其中的郭礼和现任中国科学院上海细胞生物学研究所所长、研究员，吴乃虎任中国科学院发育生物学研究所植物发育分子实验室主任、研究员、博士生导师，他们成为我国有关领域的学科带头人。
　　对于回国工作的学者，吴瑞教授总是予以积极支持和关怀帮助，想方设法为他们争取条件、开展工作，在他们遇到困难、挫折或走弯路时，给予支持、理解、鼓励和帮助。他主持的有关国际学术研讨会总是尽量安排回国的青年学者作大会发言，给他们创造与国际同行多交流的机会；他还义务担任其学生吴乃虎所在的中科院发育所植物发育分子实验室的顾问，不仅为该室培养人才，关心那儿的研究和课题进展情况，而且每次回国总要前去看看，指导具体工作，在这方面，“他比一些有聘书的顾问还要负责”。吴乃虎1987年回国以来先后承担了10多项包括国家自然科学基金和863计划重大、重点项目在内的科研项目并取得了不少成绩。他认为，吴瑞教授是对他一生最有影响、最好的老师之一，他现在的许多作法，包括治学、科研、科学管理的方法和作风，都得益于吴瑞教授。