用一粒種子改變世界
——記2017年度國家自然科學獎一等獎獲得者李家洋團隊

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

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

國家最高科學技術獎獲得者、小麥遠緣雜交育種奠基人李振聲在20多年前向諾貝爾和平獎得主諾曼·博洛格發(fā)問：“您怎么會發(fā)起‘綠色革命’？”

“綠色革命”指促進糧食增產的技術改革活動。20世紀中期，以博洛格為首的小麥育種專家培育出30多個矮稈或半矮稈的具有高產、抗病等突出優(yōu)點的小麥品種。墨西哥推廣矮稈小麥以后，一舉從糧食進口國變?yōu)槌隹趪?/p>

“植株矮、穗數(shù)多、產量高，新品種受到農民的歡迎?！辈┞甯癞敃r告訴李振聲，他看到前來參觀的農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，他們的項目“水稻高產優(yōu)質性狀形成的分子機理及品種設計”獲2017年度國家自然科學獎一等獎。作為項目推薦人的李振聲評價：“這個項目會引發(fā)一場新的‘綠色革命’?！?/p>

小水稻大難題

“八月剝棗，十月獲稻”，正如《詩經》中所描繪的那樣，中國種植水稻的歷史源遠流長。作為世界上最重要的糧食作物之一，水稻在保障我國糧食安全的重大戰(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，但人類對小小水稻的認識卻并不能說了如指掌。

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

▲李家洋院士（左）在江蘇省沭陽縣青伊湖農場查看水稻生長情況（新華社金立旺攝）

如何才能“多快好省”地培育出一粒好種子？這是許多年來農業(yè)科學家們一直在追尋的答案，他們希望糧食不僅能夠高產，而且能夠質優(yōu)，培育出高產優(yōu)質型超級水稻新品種，讓消費者在吃飽的同時能夠吃好，吃得安全、綠色。

科學家們一直在思索：能不能找到水稻基因和性狀的對應關系，按照需求的不同，設計出不同的水稻新品種？

李家洋領銜的團隊經過十多年的努力，給出了答案——分子設計育種。

讓稻米既好看又好吃

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

研究團隊用了十余年發(fā)掘出決定水稻是否“好看”的關鍵基因?！八居袛?shù)萬個基因，我們從中找到了控制理想株型的主效基因IPA1。”項目主要完成人、中科院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所所長韓斌說，IPA1在田間的表現(xiàn)平平，“但把IPA1優(yōu)異等位基因導入水稻主栽品種，可以重塑理想株型性狀，使產量顯著提高”。

研究團隊不僅給水稻“整形”，向國內水稻育種單位發(fā)放2000余份次理想株型種質，還育成“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種，連續(xù)兩年萬畝示范平均產量比當?shù)刂髟云贩N增產20%以上，且適合機械化或直播等栽培方式。

科學上衡量水稻是否“好吃”則是依據膠稠度、直鏈淀粉含量和糊化溫度。李家洋團隊基于這三個蒸煮品質的理化指標，根據18個與淀粉合成相關基因的遺傳變異，開發(fā)出51組分子標記，為分子標記輔助選育并改良稻米品質提供了工具。

項目主要完成人、中國農業(yè)科學院中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室主任錢前說，他們把粳稻中淀粉合成相關基因的優(yōu)良等位變異導入高產秈稻品種，為解決水稻產量與品質相互制約的難題提供切實可行的策略。

需指出的是，上述做法不同于轉基因技術。李家洋解釋，分子設計育種不存在基因編輯，也沒有引入外來基因，而是從水稻天然基因里進行篩選的。

事實上，研究團隊的第三項突出貢獻正是高效挖掘與利用水稻優(yōu)異種質資源。一方面，他們首創(chuàng)了全新的基因分型算法，構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資源和地方品種材料，繪制出‘解剖圖’，供育種學家不斷組合出新品種?！表n斌說。

另一方面，他們闡明了水稻的起源及馴化過程，構建出水稻全基因組遺傳變異的精細圖譜。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南方珠江流域被馴化出來，人們在此基礎上再馴化出秈稻品種。

據統(tǒng)計，這個項目的研究成果已在國際權威學術刊物上發(fā)表論文120多篇，被《科學引文索引》（SCI）引用8000余次。評論稱，它為水稻及其他作物分子設計育種提供了重要指導與示范作用。

科學家們并不滿足于此，一組組數(shù)據壓在他們的心頭。中國以水稻為主糧，但糧食自給率下降到85%，2010年以后更是由大米凈出口國轉為大米凈進口國，國家糧食安全面臨的挑戰(zhàn)日益嚴峻。

李家洋說，2017年金秋時節(jié)，名為“嘉優(yōu)中科1號”的超級水稻在江蘇省沭陽縣迎來豐收，測產結果為平均畝產達到900公斤以上，頗受當?shù)胤N糧大戶的青睞，“只有農民愿意種，這樣的新品種才有意義”。