“舌尖上的革命”登上國家科技最高領獎臺

1月8日，一個和“吃”有關(guān)的科學研究登上了我國科技的最高領獎臺，項目全稱聽上去略有些拗口：“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機理及品種設計”(以下簡稱分子設計育種)，但研究的問題卻很接地氣，即破解糧食生產(chǎn)“優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)，高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)”矛盾難題，說白了不僅讓老百姓吃飽，而且要吃好。

很長一段時間以來，能夠走進公眾視野的農(nóng)業(yè)新聞，往往是諸如“水稻產(chǎn)量打破世界紀錄”“玉米產(chǎn)量再創(chuàng)歷史新高”等產(chǎn)量突破的報道。但在現(xiàn)今這個糧食匱乏問題不再突出的時代，“量上去了，品質(zhì)如何”的追問，被越來越多地拋出來。

當天，由中科院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家洋領銜的分子設計育種項目團隊摘得了2017年度國家自然科學一等獎，這是中國自然科學領域的最高獎。

我國著名遺傳學家、2006年度國家最高科技獎獲得者李振聲院士是該項目的推薦人，他說，如果用一句話來評價這個項目，即“引發(fā)一場新綠色革命的開端!”

第三次綠色革命之問：不僅要吃飽而且要吃好

說起綠色革命，人們最為熟悉的莫過于雜交水稻，我國以袁隆平院士為首的科研團隊完成的雜交水稻技術(shù)突破，就是第二次綠色革命的代表。

而第一次綠色革命，則要追溯到上世紀60年代，由美國植物病理學家諾曼·E·勃勞格開創(chuàng)。李振聲將這次革命的成果簡稱為“矮化育種”。

20年前，李振聲在時任中國農(nóng)業(yè)部部長何康的一次家宴上見到了勃勞格，并單獨向他請教了綠色革命的起因。

勃勞格告訴李振聲，他在許多國家調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著化肥的大量使用，小麥等作物產(chǎn)量得到了暫時提高，但因為植株太高，出現(xiàn)了倒伏現(xiàn)象，有時反而造成減產(chǎn)，后來問題越來越突出，甚至嚴重影響了產(chǎn)量的提高。

于是，勃勞格最終育出豐產(chǎn)、抗銹小麥品種。該品種推廣后，墨西哥從原本的小麥進口國，一躍成為位居世界第二的小麥出口國，同時這項技術(shù)還引發(fā)了一次世界性的小麥增產(chǎn)。勃勞格本人因此被譽為“綠色革命之父”，還一度被稱作“拯救世界饑餓的第一人”，并于1970年獲得諾貝爾和平獎。

這是第一次綠色革命。第二次就是袁隆平運用超級雜交稻的技術(shù)成果，“用3畝地，可以產(chǎn)出4畝地糧食”，大幅提高我國水稻單產(chǎn)和總產(chǎn)量。袁隆平因此被海內(nèi)外譽為“雜交水稻之父”。

不過，隨著生活水平的不斷提高，人們對糧食的“質(zhì)量”提出了新的要求，“不僅要吃飽，而且要吃好，還要吃健康的食品”。以水稻為例，高產(chǎn)的往往品質(zhì)差、抗病蟲害能力低，但那些性狀好的水稻，卻又常常不高產(chǎn)。中科院遺傳發(fā)育所所長楊維才說，尤其在目前的高產(chǎn)栽培條件下，個體和群體的矛盾、產(chǎn)量和生育期的矛盾更加突出。

第三次綠色革命應運而生。而李振聲眼中第三次綠色革命的開端，就是李家洋團隊的“分子設計育種”。

高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)：魚與熊掌難以兼得?

從宏觀上來看，科學家要找到水稻質(zhì)與量的“完美協(xié)調(diào)點”;而從微觀層面來看，科學家就是要找到?jīng)Q定這個協(xié)調(diào)點的“基因”或者說“分子”。

李家洋說，不同品種的水稻有不同的特性，有的抗倒伏，有的抗蟲，有的更高產(chǎn)……這些特性通常由某些基因決定?？傻降资钦l在某一方面擁有與眾不同的優(yōu)勢，人類此前并不清楚。因此，想要調(diào)和水稻“質(zhì)”與“量”的矛盾也并非易事。

“如果某一個基因?qū)粋€性狀，上萬個基因組合在一起加以變化，對應的性狀網(wǎng)絡，可能就是一個天文數(shù)字!”李家洋說，要真搞清楚基因和性狀的對應關(guān)系十分困難。

這也是擺在世界育種科學家面前的一道難題，題目并不難描述，決定水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素也十分清楚，前者包括“穗數(shù)”“每穗粒數(shù)”“粒重”，后者包括“黏稠度”“直鏈淀粉含量”以及“糊化溫度”。

不過，哪些分子決定“穗數(shù)”，哪些分子決定“每穗粒數(shù)”，哪些分子決定“粒重”，又有哪些分子決定“黏稠度”等等，就不得而知了。這就是李家洋團隊要破解的“基因密碼”。

這當然離不開基因組學、計算生物學、系統(tǒng)生物學、合成生物學等新興學科近年來的快速發(fā)展。李振聲談起這個項目也反復提到，李家洋團隊能夠取得這方面的突破，和該團隊在基因測序、基因定位、基因克隆、基因功能研究等方面的長期豐富積累不無關(guān)系。

如今獲獎的這個研究項目其實包含多個科學發(fā)現(xiàn)，這其中最讓李家洋得意的，還是找到了“關(guān)鍵的基因”——IPA1，這是調(diào)控理想株型的分子模塊，有了它就能讓水稻的莖稈更粗壯，穗子大、谷粒大，這些是高產(chǎn)重要的性狀。

接著，他的團隊又找到了Wx和ALK基因，前者主要調(diào)控“直鏈淀粉含量”和“黏稠度”，后者則主要調(diào)控“糊化溫度”，而其他一些基因則在調(diào)控網(wǎng)絡中起微效的調(diào)節(jié)作用。

李家洋團隊也因為這些發(fā)現(xiàn)，不斷走向科學舞臺的中央——

團隊主要研究成果發(fā)表在Nature、Nature Genetics、PNAS、 Plant Cell等國際知名學術(shù)刊物，發(fā)表論文120多篇，累計影響因子大于1000，被SCI引用8000余次，其中8篇代表性論文引用超過2300次。

團隊的代表性研究成果“揭示水稻理想株型形成的分子調(diào)控機制”和“闡明獨腳金內(nèi)酯調(diào)控水稻分蘗和株型的信號途徑”分別入選“2010年度中國科學十大進展”和2014年度中國科學十大進展”。

分子設計育種：搭積木一樣“組裝”優(yōu)勢基因

這種分子育種技術(shù)和傳統(tǒng)育種技術(shù)有很大不同，李家洋打個了比方——

常規(guī)育種好比在相親時“海選”：“科學家不知道哪個基因控制哪個性狀，只能靠經(jīng)驗，通過最后的結(jié)果說明哪些基因組合是好的，這個過程非常漫長。”

如今的分子育種則是從經(jīng)過層層篩選之后的優(yōu)秀“對象”里選擇：科學家知道“什么基因在控制什么性狀”后，就像搭積木一樣，將超高產(chǎn)、品質(zhì)改良和抗性提升等優(yōu)勢基因“組裝”起來，雜交出一種前所未見的超級水稻。

李家洋團隊成員之一、中科院遺傳發(fā)育所副研究員劉貴富說，常規(guī)育種需要7至8年才能選出育種材料，分子育種技術(shù)能將其縮短到3至4年甚至更短，實現(xiàn)了快速、定向、高效培育系統(tǒng)改良的作物新品種，實現(xiàn)“精確育種”。

這就是科學進步的結(jié)果。

多年前，李家洋團隊在江蘇沭陽縣青伊湖農(nóng)場培養(yǎng)了水稻新品種——嘉優(yōu)中科1號，在剛剛過去的2017年，嘉優(yōu)中科1號實收測產(chǎn)的結(jié)果為平均畝產(chǎn)911.3公斤，比當?shù)刂髟云贩N畝產(chǎn)增產(chǎn)200公斤以上。

這意味著，李家洋團隊已經(jīng)突破傳統(tǒng)育種技術(shù)，走出了分子育種的新路。加上早期尋找調(diào)控分子的研究時間，李家洋團隊花了近20年，才培育出“既有南方秈稻產(chǎn)量，又有北方粳稻品質(zhì)”的新品種雜交水稻。

長江中下游地區(qū)自古是中國水稻的主產(chǎn)區(qū)之一，水稻的馴化和傳播正起源于此地。如今來看，水稻的未來可能也將被中國人率先改寫。

按照李家洋的說法，接下來他的團隊還將朝著“量身定制”方向努力，比如，針對糖尿病人等特殊人群，可以找到那個“關(guān)鍵分子”，然后設計研制高抗性淀粉的水稻。

他還希望賦予米飯從“主食”跨界“營養(yǎng)品”的雙重身份，這就需要研發(fā)出鋅、鐵、葉酸等重要營養(yǎng)元素含量高的水稻新品種。再往后，就要看人類對“吃”還有啥新要求了。