【綏化宏洋米業(yè)】現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，盡管目前水稻育種材料聚集了大部分優(yōu)良性狀，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化完善。由于國家尚未對(duì)基因編輯改造建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)農(nóng)作物的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)還無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的應(yīng)用�！斑@個(gè)改造不是轉(zhuǎn)基因，不涉及把水稻以外的基因搬進(jìn)去。”李家洋說，“有了標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)作物育種肯定又快、又好、又省事。”
5月下旬，記者見到中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋的時(shí)候，他一如既往地忙碌。
植物領(lǐng)域頂級(jí)國際期刊《植物細(xì)胞》創(chuàng)刊30周年，李家洋應(yīng)邀對(duì)發(fā)表在該雜志的部分重要研究工作進(jìn)行評(píng)述，重點(diǎn)關(guān)注了水稻生育期、株高、分蘗數(shù)目、育性控制以及機(jī)械強(qiáng)度等產(chǎn)量相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀的分子機(jī)理，探討了這些先驅(qū)性研究工作對(duì)作物農(nóng)藝性狀解析以及作物設(shè)計(jì)育種改良的重要貢獻(xiàn)。他是唯一受邀撰文的亞洲科學(xué)家。
而另一方面，李家洋團(tuán)隊(duì)培育的“中科804”以及“中科發(fā)”系列水稻新品種將在東北擴(kuò)大種植面積至30萬畝。“非常令人振奮�！崩罴已蠛茏院�。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》，這是因?yàn)槿ツ辍爸锌?04”在黑龍江五常市進(jìn)行的3000畝示范中，表現(xiàn)出了高產(chǎn)、抗稻瘟病、抗倒伏等諸多優(yōu)良農(nóng)藝性狀，口感與外觀品質(zhì)也十分優(yōu)異。
對(duì)于水稻而言，無論是科研還是產(chǎn)業(yè)，中國都已走到了世界前列�！啊毡�大米比中國大米好’的說法已不成立，它們口感沒有任何差別，而且外觀上中國大米的色澤更透明、清亮�！崩罴已笳f，“目前科學(xué)家們已經(jīng)基本把水稻重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳機(jī)制弄清楚了，現(xiàn)在你想要什么樣的水稻品種，只要把多個(gè)相關(guān)優(yōu)良基因聚合在一起，就能培育出你想要的�！�
21世紀(jì)的主要挑戰(zhàn)
世界上近半數(shù)人口以大米作為主食。然而，隨著人口的不斷增加與耕地?cái)?shù)量的減少，如何提高水稻產(chǎn)量成為農(nóng)業(yè)科學(xué)家面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。
20世紀(jì)以矮化育種為標(biāo)志的“綠色革命”以及雜種優(yōu)勢(shì)利用技術(shù)的發(fā)展帶來水稻、小麥、玉米等作物產(chǎn)量的大幅度提高。進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們?cè)诶斫庾魑镏匾r(nóng)藝性狀的分子機(jī)制方面取得了諸多突破性進(jìn)展，大大拓寬和加深了對(duì)水稻生長和發(fā)育的認(rèn)識(shí)，為通過分子育種技術(shù)促進(jìn)稻米產(chǎn)量的提高奠定了重要基礎(chǔ)。
水稻分蘗數(shù)目、株高、分蘗角度、穗大小、穗粒數(shù)等株型特征是控制產(chǎn)量的核心要素，而抽穗期、耐逆性、病蟲害抗性以及機(jī)械強(qiáng)度等特征是作物適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)和自然環(huán)境獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。利用數(shù)量性狀基因位點(diǎn)（QTL）定位、圖位克隆以及全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，將控制這些水稻重要農(nóng)藝性狀的基因從自然變異或水稻突變體中鑒定出來，大大提高了對(duì)水稻復(fù)雜農(nóng)藝性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解。
李家洋指出，近年來水稻研究的突破開辟了一個(gè)從分子水平探索作物復(fù)雜農(nóng)藝性狀調(diào)控機(jī)制的新時(shí)代。更重要的是，這些發(fā)現(xiàn)通過分子育種進(jìn)一步促進(jìn)了這些農(nóng)藝性狀的合理設(shè)計(jì)，幫助培育出高產(chǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗倒伏能力強(qiáng)、具有雜種優(yōu)勢(shì)的優(yōu)良作物品種。
從“跟跑者”變?yōu)椤邦I(lǐng)跑者”
回顧世界水稻研究20年的歷史，中國科學(xué)家必定是一支不可或缺的關(guān)鍵力量。
事實(shí)上，從2002年12月，中國水稻基因組（秈稻）“精細(xì)圖”正式完成，標(biāo)志著我國水稻基因組研究正式進(jìn)入世界前列，到鑒定并克隆出控制水稻農(nóng)藝性狀的一系列關(guān)鍵基因，再到2017年2月，《自然—植物》發(fā)表評(píng)論用“中國的復(fù)興”稱贊中國水稻研究，中國的水稻研究已經(jīng)從“跟跑者”變?yōu)椤邦I(lǐng)跑者”。
上世紀(jì)90年代回國開展水稻研究的李家洋等一批科研人員推動(dòng)并見證了這一蛻變。
這個(gè)過程并不輕松。李家洋記得，剛回國時(shí)，資金非常有限，條件也極其艱苦。如今黃金地段的奧運(yùn)村當(dāng)時(shí)是一大片農(nóng)場，研究所搭建了簡易板房，“夏熱冬冷，板房里的刺鼻味道讓人呆兩個(gè)小時(shí)就受不了了，但大家就這樣堅(jiān)持了3年”。
正是基于這種堅(jiān)持，李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先在國內(nèi)建立了植物基因圖位克隆技術(shù)體系�！皩W(xué)界普遍認(rèn)為，該體系的建立極大推動(dòng)了中國的水稻功能基因組研究�！崩罴已笳n題組副研究員、上述綜述文章第一作者王冰告訴《中國科學(xué)報(bào)》，圖位克隆相當(dāng)于在成千上萬的水稻基因“地圖”上，通過分子標(biāo)記等方法，明確知道某個(gè)性狀是由某個(gè)基因控制的，然后分離鑒定該基因。
2003年，李家洋團(tuán)隊(duì)利用圖位克隆技術(shù)，克隆了控制水稻分蘗起始的關(guān)鍵基因MOC1。“一個(gè)基因就能起這么大的作用，當(dāng)時(shí)大家都很震驚�！蓖醣f，同年，他們還成功利用該技術(shù)從水稻脆稈突變體中克隆了第一個(gè)控制水稻機(jī)械強(qiáng)度的BC1基因，為通過分子輔助育種改良作物細(xì)胞壁生物合成開辟了新途徑。
隨后，中國在水稻功能基因方面的研究工作開始突飛猛進(jìn)，“國內(nèi)科學(xué)家利用該體系，把控制產(chǎn)量、抗病蟲、耐鹽堿、耐高低溫等基因克隆出來”。
上世紀(jì)90年代末，中國作為主要參與國牽頭發(fā)起“國際水稻基因組測序計(jì)劃”，并率先完成了第4號(hào)染色體全長序列的精確測序。此后，科技部啟動(dòng)的“功能基因組和生物芯片”重大科技專項(xiàng)在國際上率先獨(dú)立完成了秈稻9311全基因組測序和粳稻日本晴第4號(hào)染色體精確測序，建立了含27萬株獨(dú)立轉(zhuǎn)化子的水稻突變體庫和近4萬條cDNA文庫。
“科學(xué)研究永無止境。隨著時(shí)間的推移，作物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)、抗病抗蟲的要求、養(yǎng)分利用效能等都會(huì)變化，其基因功能研究也需要不斷更新�！崩罴已笳f。
精準(zhǔn)設(shè)計(jì)讓育種走向“定制”
中國大米“高產(chǎn)不好吃”的魔咒已被打破。李家洋所說“想要什么樣的水稻便能培育出”的自信，來自水稻基礎(chǔ)研究者與育種家的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。
從過去“一把尺子一桿秤，用牙咬，用眼瞪”的經(jīng)驗(yàn)育種，到明確基因型表型效應(yīng)的分子設(shè)計(jì)育種，“未來，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種是世界農(nóng)業(yè)育種發(fā)展的制高點(diǎn)，既要數(shù)量，還要質(zhì)量�！崩罴已蟊硎�。精準(zhǔn)設(shè)計(jì)有兩個(gè)前提條件，一是明確控制性狀的基因及其調(diào)控機(jī)制；二是掌握基因操控的相關(guān)技術(shù)手段。
中國地域遼闊，生態(tài)環(huán)境和消費(fèi)喜好差異大，所需水稻品種也各不相同，更需要“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”才能滿足需求。李家洋說，基因數(shù)量龐大且千變?nèi)f化，要找到最合適的基因組合方式，“比如，我們了解某個(gè)稻區(qū)的水稻品種、畝產(chǎn)、株高、粒數(shù)、口感等指標(biāo)，知道這些指標(biāo)由哪些基因控制，從而把這些基因聚合并培育新品種，這就是設(shè)計(jì)”。
現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，盡管目前水稻育種材料聚集了大部分優(yōu)良性狀，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化完善。由于國家尚未對(duì)基因編輯改造建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)農(nóng)作物的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)還無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的應(yīng)用�！斑@個(gè)改造不是轉(zhuǎn)基因，不涉及把水稻以外的基因搬進(jìn)去�！崩罴已笳f，“有了標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)作物育種肯定又快、又好、又省事�！�
李家洋表示，未來，環(huán)境影響基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制將是研究的重點(diǎn)�！笆聦�(shí)上，農(nóng)藝性狀是由基因與環(huán)境互作形成的，過去我們更多關(guān)注的是基因本身�！�
理想的水稻品種究竟是怎樣的？在李家洋看來，這個(gè)品種應(yīng)該具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、高抗等諸多優(yōu)良性狀，“它需要一個(gè)過程，逐漸成為市場上的主流品種，引領(lǐng)生產(chǎn)與消費(fèi)需求”。