張啟發：水稻育種的研究、思考以及變革

華中農業大學教授、中國科學院院士張啟發

撰文 | 馬子頌

責編 | 陳曉雪

去年六月，100多位諾貝爾獎獲得者聯名要求綠色和平組織停止反對基因修飾作物（GMO）。隨著對食品需求的不斷增長，中國也將面臨著同樣的問題：是該重新考慮和評估基因修飾作物了嗎？水稻是中國乃至世界最重要的糧食作物之一。近年來，中國科學家在水稻功能基因組學研究領域取得了一系列的重要進展，包括基因和調控機制的研究以及育種平台和技術的開發。然而，與科學研究的進展相反，基因修飾作物在商業化、社會推廣和政策框架方面仍有一些問題。《國家科學評論》（NSR）採訪了華中農業大學教授、中國科學院院士張啟發。關於水稻前沿研究以及轉基因水稻的商業化，他與我們分享了自己的一些看法和見解。

中國在水稻基因組學領域取得大幅進步

NSR：請介紹一下近幾年水稻研究及育種的重要進展。

張啟發：水稻是第一個完成全基因組測序的作物，是功能基因組研究的模式植物。隨著高通量技術手段的發展，近幾年我們在水稻組學資源和技術平台、重測序、功能基因的克隆和調控網路的解析方面取得了系列重要成果。

（1）建立了水稻飽和突變體庫。國際上各種類型的插入突變體超過67萬份，大約30萬個插入可定位於基因組上，根據目前的基因組注釋，水稻有56797個基因位點，按每個基因至少有1個插入點來計，這些突變體已標記了70%以上的水稻基因。

（2）開發了基於新一代測序技術的高通量功能基因組研究平台。獲得了來自446個普通野生稻品種和1083個栽培秈稻和粳稻品種的基因組序列，在此基礎上進行了農藝性狀的全基因組關聯分析，鑒定出大量與性狀相關的基因位點；中國農科院、華大基因和國際水稻研究所合作完成了全球3500份水稻核心種質的重測序工作，發現了數十億記的SNP位點。

（3）建立了一個代謝組分析方法和代謝組平台。我國科學家建立了基於廣泛定向代謝組分析的作物代謝組學研究平台，利用全基因組關聯分析，定位了數百個控制代謝物含量自然變異的位點，獲得了一批重要代謝物的候選基因，在此基礎上通過遺傳及生化分析，鑒定了部分基因的功能、解析並重構了水稻逆境抗性及營養成分相關的重要代謝途徑。

（4）建立了高通量數值化表型觀測平台。我國科學家研製了一種高通量水稻表型測量平台，可以自動獲取水稻株高、葉面積、分櫱數等15個表型數據。按45秒測量一個植株計算，1天24小時可以測量1920個單株，填補了國際上水稻表型測量手段的空白。

（5）開發出水稻全基因組選擇育種晶元。基於基因組測序和功能基因組研究的成果，研製出三個不同密度（RICE 6K、60K和90K）的具有我國自主知識產權的水稻全基因組育種晶元，已經成功地應用於水稻雜交群體分析、品種鑒定、定向改良以及分子設計育種實踐等，在水稻遺傳研究及育種應用中具有非常好的應用前景。

（6）確認了大量農藝性狀的功能基因及其調控網路。近年來，國內外在水稻重要農藝性狀基因克隆和調控機理方面取得了一些重要進展。國外研究發現超表達OsglHAT1基因增加粒重和產量，抗逆相關基因DRO1和HYR在乾旱脅迫下也能提高水稻產量。OsFIE2參與形成水稻的多梳複合物，調控水稻種子灌漿。同時，克隆了調控根繫結構的基因SPIKE和調控光合碳代謝路徑的基因TGW6，這些都是影響水稻產量性狀的基因。在抗逆基因方面，發現了光敏色素互作蛋白OsPIL1參與調控水稻節間伸長以及乾旱脅迫下的反應，蛋白激酶PSTOL1維持水稻在低磷條件下的正常生長發育，RSS1蛋白參與逆境條件下細胞周期的調控並維持分生組織的活性。成功培育出了耐鹽水稻品種Kaijin。在探究水稻體內金屬元素及微量元素的轉運機制及基因克隆也取得了重要進展。

我國科學家在水稻產量、株型、育性、抗逆等重要性狀的功能基因克隆和分子機理方面的研究成果豐碩，發現了一大批具有重要應用前景的功能基因。尤其是：揭示了獨角金內酯信號轉導的「去抑制化激活」機制，為調控分櫱特性培育理想株型水稻建立了分子網路。從分子水平對水稻秈粳雜種不育和廣親和性基因S5的作用機理進行了比較完善的闡述，揭示了水稻秈粳雜種育性調控的分子機制，為水稻亞種間雜種優勢奠定了基礎。發現了一個控制水稻耐冷的基因組位點，揭示了來源於粳稻的等位基因較為耐冷的機理，或可應用於水稻耐冷性的改良。這三項成果分別發表在《細胞》（Cell）、《自然》（Nature）和《科學》（Science）上，代表了其研究領域的最高成就。

（7）轉基因水稻的培育。我國培育的轉基因抗蟲水稻Bt汕優63和華恢1號於2009年獲得「農業轉基因生物安全證書（生產應用）」，該安全證書的有效期為5年。2014年，農業部再次頒發了轉基因抗蟲水稻的安全證書。

近五年來，《細胞》、《自然》、《科學》、《自然-遺傳學》（Nature Genetics）、《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）、《植物細胞》（Plant Cell）和《美國科學院院刊》（PNAS）等高質量期刊發表的水稻基因的文章，有40%來自於中國科學家，反映了我國在水稻基因組學領域的大幅進步。

水稻單位產量有上限

NSR：如你提到的，基因修飾可以提高水稻產量。目前在實驗室條件下能得到的水稻最高產量是多少？單位產量有沒有一個理論上的最高上限值？

張啟發：過去十多年，關於單個基因在特定的遺傳背景下能大幅度提高產量的例子很多，國內克隆的多個基因（如Ghd7、Ghd8）都有這樣的特點，但要使本已很優良的品種進一步提高產量就不容易了。

在特定的實驗條件下高產的記錄很多，而且不斷被刷新，如馬達加斯加有過每公頃21噸的記錄，我國雲南永勝多年前就達到每公頃18噸的產量。

水稻單位面積產量的上限值是科學家們多年來一直在探討的問題。我個人認為是有上限的，這裡涉及的因素很多。現在人們談得較多的有光能利用效率，認為提高光能利用效率就能提高產量潛力。在一定階段可能是這樣。但隨著育種水平的提高，最大的制約因素可能在於田間容納量，即田間的群體結構及與之相適應的株型。對一個特定的地區，群體結構和株型何以能最大限度地利用光能，何以支撐最高的產量，目前大家都在講的「設計育種」應該進行這方面的模擬和測算。

中國水稻育種的目標

NSR：提高產量是育種的目標之一，然而不同國家，甚至不同地區的水稻育種目標也不一樣。中國水稻育種的目標和計劃是什麼？

張啟發：長期以來，中國水稻生產面臨一些重要問題，如：1）水稻單產持續徘徊不前；2）病蟲害頻發、化學農藥過度施用、增產的壓力和化學肥料的濫用，導致了資源環境與農業生產的尖銳矛盾；3）水資源匱乏與乾旱；4）極端天氣（如高溫、冷害），等。這些問題對水稻生產和農業可持續發展構成了嚴峻挑戰。

目前中國強調綠色發展作為長期目標，我們倡導培育綠色超級稻，要求新品種抗多種病蟲，實現少打或不打農藥；要提高品種對肥料的吸收和利用效率，大量減少化肥的施用；品種應具備節水抗旱的性狀，減少水資源的使用和乾旱造成的損失。

同時，通過水稻育種，我們應該致力於滿足各類人群對稻米營養品質的需求，稻米中還應有提高人類健康水平的功能成分，這是目前稻米中所稀缺的。此外，水稻品種還應適應農業轉型、機械化耕作、輕簡栽培的需求。上述需求在不同的時期會賦予不同的內容，這就要求我們的育種目標和育種技術不斷調整。在政府層面上，品種審定的辦法也要不斷地適應新形勢。

基因編輯技術在作物育種上有巨大應用潛力

NSR：近年來的技術進步（如CRISPR基因編輯技術），對水稻等作物的研究和育種有著什麼樣的意義？

張啟發：隨著生物技術的飛速發展，新型基因操作技術不斷湧現，近年來興起的以CRISPR為代表的基因（基因組）編輯技術接近成熟，顯示出強大的功能和廣泛的應用潛力，將對作物的研究和育種帶來深遠的影響。具體來說，在基礎研究方面，以CRISPR為代表的基因（基因組）編輯技術可以很簡便地徹底失活或開啟任意內源基因，從而可以廣泛應用於基因功能研究。在育種方面，基因編輯技術產生的基因變異與傳統育種技術利用的基因變異在分子水平上沒有差異，現有的技術手段也不能對其進行區分，可以達到使用轉基因方法培育「非轉基因」產品的效果。目前大家都看到了基因組編輯技術在育種上的巨大應用潛力，但大規模的實際應用還要一定時間。

應積極促進轉基因產業化發展

NSR：從實驗室研究成果到商業化產品需要經歷一個怎樣的過程？

張啟發：以轉基因作物商業化為例，在實驗室內培育出轉基因材料之後，還需要經過中間試驗、環境釋放、生產性試驗、安全證書申請等環節，在此期間還必須完成環境安全和食用飼用安全的充分評價。獲得了安全證書之後，轉基因作物還需要進入作物品種審定程序，還需要獲得轉基因種子的生產許可和經營許可，最後才能進入商業化生產。在順利的情況下，完成這個過程需要10年以上。

2009年農業部給我們研發的轉基因抗蟲水稻「華恢1號」及「Bt汕優63」頒發了安全證書，事實上，該轉基因材料1988年就已培育成功，1999年通過農業部組織的專家鑒定，顯示出非常優良的抗蟲效果。目前，我們與全國主要水稻產區的育種單位緊密協作，以「華恢1號」為親本通過回交轉育的方法，培育了一批抗蟲性好，高產優質的雜交水稻組合，隨時可以推向市場。雖然農業部給轉基因抗蟲水稻頒發了安全證書，但至今卻沒有出台配套的轉基因水稻品種審定管理辦法，這是目前的問題。

美國農業部2014年發表的數據表明，美國轉基因抗蟲玉米的產業化，使得近年來美國的玉米生產減少農藥用量90%以上。如果我國抗蟲水稻能產業化，也應該會產生類似的效果。美國的FDA近一年來先後批准了轉基因蘋果和轉基因三文魚的上市，雖然在世界上引起了不小的轟動，但並沒有引起社會問題。因此，我們應該在中國社會澄清對基因修飾生物的擔憂，積極促進我國轉基因作物的研發與產業化發展。轉基因產業化的發展，不僅可克服作物改良的技術瓶頸，還將解決我們所面臨的食品安全問題的挑戰。

英文原文2016年10月14日發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），原標題為「Research, rethink and revolutionize rice breeding: an interview with Qifa Zhang」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！