用一粒種子改變世界
——記2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者李家洋團(tuán)隊(duì)

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了矮化育種，將水稻產(chǎn)量提高了2到3成，這便是廣為人知的第一次“綠色革命”；20世紀(jì)70年代，以袁隆平為代表的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了水稻雜交育種，使我國(guó)南方、東南亞等主要水稻生產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量有了第二次飛躍，做出了歷史性的貢獻(xiàn)。

而李家洋團(tuán)隊(duì)帶給中國(guó)和世界的，則是一種更有想象力的畫面：將來(lái)，育種就像組裝電腦一樣方便，人們需要什么樣的水稻，科學(xué)家就可以把相關(guān)的水稻基因組合在一起，培育出滿足需要的種子。

國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、小麥遠(yuǎn)緣雜交育種奠基人李振聲在20多年前向諾貝爾和平獎(jiǎng)得主諾曼·博洛格發(fā)問：“您怎么會(huì)發(fā)起‘綠色革命’？”

“綠色革命”指促進(jìn)糧食增產(chǎn)的技術(shù)改革活動(dòng)。20世紀(jì)中期，以博洛格為首的小麥育種專家培育出30多個(gè)矮稈或半矮稈的具有高產(chǎn)、抗病等突出優(yōu)點(diǎn)的小麥品種。墨西哥推廣矮稈小麥以后，一舉從糧食進(jìn)口國(guó)變?yōu)槌隹趪?guó)。

“植株矮、穗數(shù)多、產(chǎn)量高，新品種受到農(nóng)民的歡迎。”博洛格當(dāng)時(shí)告訴李振聲，他看到前來(lái)參觀的農(nóng)民迫不及待地掐穗子裝在衣兜里，心里暗暗高興。

中科院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋及其合作者正在品嘗這種喜悅。1月8日，他們的項(xiàng)目“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)”獲2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。作為項(xiàng)目推薦人的李振聲評(píng)價(jià)：“這個(gè)項(xiàng)目會(huì)引發(fā)一場(chǎng)新的‘綠色革命’。”

小水稻大難題

“八月剝棗，十月獲稻”，正如《詩(shī)經(jīng)》中所描繪的那樣，中國(guó)種植水稻的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。作為世界上最重要的糧食作物之一，水稻在保障我國(guó)糧食安全的重大戰(zhàn)略需求中具有舉足輕重的地位。

大米養(yǎng)活了世界一半以上的人口，但人類對(duì)小小水稻的認(rèn)識(shí)卻并不能說了如指掌。

在水稻等禾谷類作物育種中，由于產(chǎn)量與品質(zhì)性狀形成的復(fù)雜性，其調(diào)控機(jī)理尚不清楚，通過傳統(tǒng)育種方法進(jìn)行改良，也存在周期長(zhǎng)、效率低等問題。尤其是近20年以來(lái)，以中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)為代表的水稻產(chǎn)量進(jìn)入了緩慢增長(zhǎng)期。主要表現(xiàn)為產(chǎn)量與早熟、品質(zhì)、抗病蟲和抗逆性等其他優(yōu)良性狀之間的矛盾，尤其在目前的高產(chǎn)栽培條件下，個(gè)體和群體的矛盾及產(chǎn)量和生育期的矛盾更加突出。

▲李家洋院士（左）在江蘇省沭陽(yáng)縣青伊湖農(nóng)場(chǎng)查看水稻生長(zhǎng)情況（新華社金立旺攝）

如何才能“多快好省”地培育出一粒好種子？這是許多年來(lái)農(nóng)業(yè)科學(xué)家們一直在追尋的答案，他們希望糧食不僅能夠高產(chǎn)，而且能夠質(zhì)優(yōu)，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型超級(jí)水稻新品種，讓消費(fèi)者在吃飽的同時(shí)能夠吃好，吃得安全、綠色。

科學(xué)家們一直在思索：能不能找到水稻基因和性狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照需求的不同，設(shè)計(jì)出不同的水稻新品種？

李家洋領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年的努力，給出了答案——分子設(shè)計(jì)育種。

讓稻米既好看又好吃

通俗來(lái)說，李家洋團(tuán)隊(duì)主要是解決了稻米的兩個(gè)“好”：既“好看”又“好吃”。前者是指培育出分蘗數(shù)適宜、莖稈強(qiáng)壯、穗大粒多的高產(chǎn)理想株型品種，后者是指具有優(yōu)良的食用品質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)用了十余年發(fā)掘出決定水稻是否“好看”的關(guān)鍵基因。“水稻有數(shù)萬(wàn)個(gè)基因，我們從中找到了控制理想株型的主效基因IPA1。”項(xiàng)目主要完成人、中科院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所所長(zhǎng)韓斌說，IPA1在田間的表現(xiàn)平平，“但把IPA1優(yōu)異等位基因?qū)胨局髟云贩N，可以重塑理想株型性狀，使產(chǎn)量顯著提高”。

研究團(tuán)隊(duì)不僅給水稻“整形”，向國(guó)內(nèi)水稻育種單位發(fā)放2000余份次理想株型種質(zhì)，還育成“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種，連續(xù)兩年萬(wàn)畝示范平均產(chǎn)量比當(dāng)?shù)刂髟云贩N增產(chǎn)20%以上，且適合機(jī)械化或直播等栽培方式。

科學(xué)上衡量水稻是否“好吃”則是依據(jù)膠稠度、直鏈淀粉含量和糊化溫度。李家洋團(tuán)隊(duì)基于這三個(gè)蒸煮品質(zhì)的理化指標(biāo)，根據(jù)18個(gè)與淀粉合成相關(guān)基因的遺傳變異，開發(fā)出51組分子標(biāo)記，為分子標(biāo)記輔助選育并改良稻米品質(zhì)提供了工具。

項(xiàng)目主要完成人、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國(guó)水稻研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任錢前說，他們把粳稻中淀粉合成相關(guān)基因的優(yōu)良等位變異導(dǎo)入高產(chǎn)秈稻品種，為解決水稻產(chǎn)量與品質(zhì)相互制約的難題提供切實(shí)可行的策略。

需指出的是，上述做法不同于轉(zhuǎn)基因技術(shù)。李家洋解釋，分子設(shè)計(jì)育種不存在基因編輯，也沒有引入外來(lái)基因，而是從水稻天然基因里進(jìn)行篩選的。

事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)的第三項(xiàng)突出貢獻(xiàn)正是高效挖掘與利用水稻優(yōu)異種質(zhì)資源。一方面，他們首創(chuàng)了全新的基因分型算法，構(gòu)建出高密度的水稻單倍體型圖譜。“篩選出千余份遺傳多樣性豐富的代表性水稻種質(zhì)資源和地方品種材料，繪制出‘解剖圖’，供育種學(xué)家不斷組合出新品種。”韓斌說。

另一方面，他們闡明了水稻的起源及馴化過程，構(gòu)建出水稻全基因組遺傳變異的精細(xì)圖譜。李家洋興奮地介紹，“家譜”顯示粳稻類型的栽培稻首先在中國(guó)南方珠江流域被馴化出來(lái)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上再馴化出秈稻品種。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，這個(gè)項(xiàng)目的研究成果已在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文120多篇，被《科學(xué)引文索引》（SCI）引用8000余次。評(píng)論稱，它為水稻及其他作物分子設(shè)計(jì)育種提供了重要指導(dǎo)與示范作用。

科學(xué)家們并不滿足于此，一組組數(shù)據(jù)壓在他們的心頭。中國(guó)以水稻為主糧，但糧食自給率下降到85%，2010年以后更是由大米凈出口國(guó)轉(zhuǎn)為大米凈進(jìn)口國(guó)，國(guó)家糧食安全面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。

李家洋說，2017年金秋時(shí)節(jié)，名為“嘉優(yōu)中科1號(hào)”的超級(jí)水稻在江蘇省沭陽(yáng)縣迎來(lái)豐收，測(cè)產(chǎn)結(jié)果為平均畝產(chǎn)達(dá)到900公斤以上，頗受當(dāng)?shù)胤N糧大戶的青睞，“只有農(nóng)民愿意種，這樣的新品種才有意義”。