李家洋院士在田間觀察水稻性狀。（資料圖片）

李家洋院士團(tuán)隊(duì)在田間。（資料圖片）

育種技術(shù)創(chuàng)新是糧食安全的保障

解析水稻產(chǎn)量與品質(zhì)的分子機(jī)制是世界性科學(xué)難題
　　一粒種子可以改變世界”，然而，如何才能“多快好省”地培育出一粒好種子？得益于遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展，在我國(guó)科學(xué)家多年不懈努力下，糧食高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的夢(mèng)想已在田間落地萌芽
　　1月8日，由我國(guó)科學(xué)家李家洋、韓斌、錢前、王永紅、黃學(xué)輝為代表的研究團(tuán)隊(duì)、歷時(shí)逾20年合作完成的“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”項(xiàng)目榮獲2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這項(xiàng)技術(shù)給予品種設(shè)計(jì)育種研究領(lǐng)域新的啟迪，將極大推動(dòng)作物傳統(tǒng)育種向高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計(jì)育種轉(zhuǎn)變。一場(chǎng)水稻育種領(lǐng)域的新“綠色革命”正拉開帷幕。
　　兩次綠色革命“搭臺(tái)唱戲”
　　繼“水稻高稈變矮稈”“中國(guó)雜交水稻”后，“超級(jí)水稻”躍躍欲試
　　回溯水稻育種史，每一次重大突破無不與某個(gè)關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)與大規(guī)模應(yīng)用有關(guān)。
　　20世紀(jì)初以來，小麥、水稻等作物的高稈品種倒伏現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，成為限制農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因素。由于作物的抗倒性與莖稈的堅(jiān)韌程度以及根系發(fā)育的好壞有著密切關(guān)系，種植矮稈品種成為防止倒伏最有效的措施。為此，各國(guó)育種工作者紛紛開展作物品種矮化研究。
　　隨后，以國(guó)際玉米小麥改良中心小麥研究部主任諾曼·勃?jiǎng)诟駷槭椎男←溣N家，利用日本“農(nóng)林10號(hào)”矮化基因?yàn)榘?，與抗銹病的墨西哥小麥進(jìn)行雜交，育成了30多個(gè)矮稈、半矮稈品種。其中，有些品種的株高僅有40至50厘米，同時(shí)具有抗倒伏、抗銹病、高產(chǎn)的突出優(yōu)點(diǎn)。通過水稻由高稈變矮稈并輔助農(nóng)藥和農(nóng)業(yè)機(jī)械的途徑，人們解決了當(dāng)時(shí)19個(gè)發(fā)展中國(guó)家的糧食自給問題，這種高產(chǎn)現(xiàn)象被稱為“第一次綠色革命”。
　　創(chuàng)新齒輪的牽引一次次驅(qū)動(dòng)全球發(fā)展，中國(guó)雜交水稻便是第二次綠色革命時(shí)期的杰出代表。上世紀(jì)70年代，我國(guó)科學(xué)家袁隆平團(tuán)隊(duì)在海南島發(fā)現(xiàn)一株野敗不育水稻，經(jīng)多年努力，在全國(guó)大協(xié)作下將三系雜交稻配套成功，再次大幅提升水稻產(chǎn)量，并迅速掀起一批第三世界國(guó)家種植雜交水稻的熱潮。聯(lián)合國(guó)教科文組織總干事姆博曾稱，袁隆平的科研成果是繼國(guó)際上培育半矮稈水稻之后的“第二次綠色革命”。
　　從“綠色革命”的沿襲中不難發(fā)現(xiàn)，水稻仍是世界上最重要的糧食作物之一，也是我國(guó)60％以上人口的主糧，對(duì)保障我國(guó)糧食安全重大戰(zhàn)略需求具有舉足輕重的地位。在當(dāng)前全球氣候變化、可耕地不斷減少、土壤退化等條件制約下，培育“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)”型超級(jí)水稻新品種成為育種學(xué)家和稻米種業(yè)長(zhǎng)期奮斗的目標(biāo)。
　　隨著功能基因組不斷發(fā)展，育種學(xué)家提出“品種設(shè)計(jì)育種”，夢(mèng)想能將重要農(nóng)藝性狀關(guān)鍵基因的優(yōu)異等位形式高效聚合，形成超級(jí)新品種。然而，在品種設(shè)計(jì)育種實(shí)施過程中，最優(yōu)化育種策略的設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)復(fù)雜性狀的綜合改良，全球迄今還沒有實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的跨越。
　　“面對(duì)日益增長(zhǎng)的糧食需求，迫切需要更加精準(zhǔn)高效的育種技術(shù)，即通過品種設(shè)計(jì)進(jìn)行多基因復(fù)雜性狀的定向改良，從而達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)?！敝锌圃涸菏?、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者，為突破水稻產(chǎn)量瓶頸，育種家提出了“理想株型”的概念。他們希望培育出分蘗數(shù)適宜、莖稈強(qiáng)壯、穗大粒多的高產(chǎn)理想株型品種，同時(shí)兼具優(yōu)良的食用品質(zhì)，這成為實(shí)現(xiàn)新一輪綠色革命的關(guān)鍵。
　　高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)可以兼得
　　借助水稻株型改良實(shí)現(xiàn)水稻單產(chǎn)躍升，破解了世界性科學(xué)難題
　　“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高效”，這8個(gè)字是育種學(xué)家永恒的命題。然而長(zhǎng)久以來，水稻產(chǎn)量與品質(zhì)間的相互制約是阻礙水稻“既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)”的頑疾。
　　“水稻產(chǎn)量與稻米品質(zhì)性狀的形成由多基因組成的精細(xì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，而闡明調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組成與機(jī)理極具挑戰(zhàn)。構(gòu)成產(chǎn)量與品質(zhì)各要素之間相互制約調(diào)控的關(guān)系復(fù)雜，使得解析水稻產(chǎn)量與品質(zhì)的分子機(jī)理成為世界性科學(xué)難題?！崩罴已蟊硎?，如果通過傳統(tǒng)育種方法改良水稻等作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，具有很大不確定性，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
　　曾幾何時(shí)，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，科學(xué)家們更多關(guān)注于水稻材料的新穎性，對(duì)綜合性狀的聚合及水稻理想株型和產(chǎn)量形成的分子調(diào)控機(jī)制則認(rèn)識(shí)非常有限。然而，以培育“理想株型”為契機(jī)，無論是雜交水稻育種，還是“超級(jí)稻”研究，它的核心就在于借助水稻株型改良來實(shí)現(xiàn)水稻單產(chǎn)的躍升。
　　“株型改良在提高產(chǎn)量中發(fā)揮著越來越重要的作用。水稻產(chǎn)量和品質(zhì)相互制約、矛盾的原因在于：高產(chǎn)等位基因附近攜帶了品質(zhì)不好的等位基因，通過傳統(tǒng)育種不易剔除。”中科院上海生命科學(xué)研究院研究員韓斌介紹，分子設(shè)計(jì)的概念，就是在了解機(jī)理的基礎(chǔ)上，鑒定出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基因并組合在一起，最終找到最佳培育方案。
　　回憶起過去“大海撈針”式的基因?qū)ひ捴?，韓斌仍記憶猶新，“2005年，我們繪制出水稻基因圖譜。它就像人體解剖圖一樣，近4萬個(gè)基因、1000多種材料擺在眼前，等待重新測(cè)序。我們反復(fù)研究和統(tǒng)計(jì)每個(gè)品種的某一性狀是由哪個(gè)基因控制，探尋各基因組之間存在關(guān)聯(lián)性的蛛絲馬跡，才能最終選出合適的品種進(jìn)行雜交”。
　　功夫不負(fù)有心人。這一次，我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)圍繞“水稻理想株型與品質(zhì)形成的分子機(jī)理”核心科學(xué)問題，取得了累累碩果：他們創(chuàng)建了直接利用自然品種材料進(jìn)行復(fù)雜性狀遺傳解析的新方法；揭示了水稻理想株型形成的分子基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了理想株型形成的關(guān)鍵基因——IPA1，它的應(yīng)用可使帶有半矮稈基因的現(xiàn)有高產(chǎn)品種產(chǎn)量進(jìn)一步提高；此外，還闡明了稻米食用品質(zhì)精細(xì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用于指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)稻米品種培育；并建立了高效精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)育種體系，雜交培育了一系列高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種……這為解決水稻產(chǎn)量與品質(zhì)互相制約的難題提供了有效策略。
　　由于成績(jī)顯著，該項(xiàng)目研究成果已經(jīng)兩次入選“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表論文120多篇，被SCI引用8000余次，其中8篇代表性論文引用超過2300次。
　　“超級(jí)水稻”完美現(xiàn)身
　　株高適宜、莖稈粗壯、熟期早、抗逆性強(qiáng)、增產(chǎn)效果顯著……
　　對(duì)比同類技術(shù)，由我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的這場(chǎng)綠色革命究竟“新”在哪里？
　　“隨著人民生活水平不斷提高，對(duì)糧食作物的要求不僅體現(xiàn)在吃飽、吃好，還要吃得健康，這是傳統(tǒng)育種手段難以做到的?！表?xiàng)目推薦人、中科院院士李振聲在推薦詞中寫到，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)育種技術(shù)的突破，正是對(duì)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等復(fù)雜性狀分子機(jī)理的闡明，打破了無法通過田間觀察方式判斷水稻品質(zhì)的局限。
　　“通過分子標(biāo)記選擇，成功實(shí)現(xiàn)了水稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)聚合一體的目標(biāo)。這項(xiàng)成果還將進(jìn)一步擴(kuò)展到其他作物的育種之中，引發(fā)一場(chǎng)新的綠色革命?！崩钫衤曊f。
　　如今，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)育成“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種。它具有株高適宜、分蘗適中、無效分蘗很少、莖稈粗壯、根系發(fā)達(dá)等明顯的理想株型特征，且熟期早，抗逆性強(qiáng)，增產(chǎn)效果顯著，適合機(jī)械化或直播等高效、輕簡(jiǎn)的栽培方式。通過連續(xù)兩年的萬畝示范顯示，該品種平均產(chǎn)量比當(dāng)?shù)刂髟云贩N增產(chǎn)20%以上。
　　“中國(guó)水稻育種技術(shù)的發(fā)展同時(shí)反映出我國(guó)科技發(fā)展軌跡：早年間，我們的水稻研究跟著別人走；慢慢的，發(fā)展成為并駕齊驅(qū)；現(xiàn)在，各個(gè)方面正逐漸形成引領(lǐng)之勢(shì)?！崩罴已笳f。在這支水稻設(shè)計(jì)育種先鋒隊(duì)里，有來自中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、中科院上海生命科學(xué)研究院和中國(guó)農(nóng)科院中國(guó)水稻研究所的科研精英們。他們彼此就代表著所在研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先水平，圍繞科學(xué)問題，聯(lián)合優(yōu)勢(shì)學(xué)科，深入合作攻關(guān)。
　　中國(guó)農(nóng)科院中國(guó)水稻研究所研究員錢前在采訪時(shí)表示，通常，一個(gè)水稻新品種的培育還需“十年磨一劍”。然而，在激烈競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下，各國(guó)科學(xué)家都在努力縮短育種周期，特別是在發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制水稻高產(chǎn)的基因時(shí)。而對(duì)于我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)來說，這一時(shí)間已縮短至5年，甚至理論上還可以更快。
　　放眼未來，加快眾多優(yōu)良基因聚合、培育新品種之路仍任重道遠(yuǎn)。讓我們期待下一次綠色革命依舊在中國(guó)熱土上絢爛新生。
　?。ㄔd于《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》 2018-01-13 08版）