大米「高產不好吃」魔咒被打破

5月下旬，記者見到中國科學院院士、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋的時候，他一如既往地忙碌。

植物領域頂級國際期刊《植物細胞》創刊30周年，李家洋應邀對發表在該雜誌的部分重要研究工作進行評述，重點關注了水稻生育期、株高、分櫱數目、育性控制以及機械強度等產量相關的重要農藝性狀的分子機理，探討了這些先驅性研究工作對作物農藝性狀解析以及作物設計育種改良的重要貢獻。他是唯一受邀撰文的亞洲科學家。

而另一方面，李家洋團隊培育的「中科804」以及「中科發」系列水稻新品種將在東北擴大種植面積至30萬畝。「非常令人振奮。」李家洋很自豪。他告訴《中國科學報》，這是因為去年「中科804」在黑龍江五常市進行的3000畝示範中，表現出了高產、抗稻瘟病、抗倒伏等諸多優良農藝性狀，口感與外觀品質也十分優異。

對於水稻而言，無論是科研還是產業，中國都已走到了世界前列。「『日本大米比中國大米好』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。」李家洋說，「目前科學家們已經基本把水稻重要農藝性狀形成的遺傳機制弄清楚了，現在你想要什麼樣的水稻品種，只要把多個相關優良基因聚合在一起，就能培育出你想要的。」

21世紀的主要挑戰

世界上近半數人口以大米作為主食。然而，隨著人口的不斷增加與耕地數量的減少，如何提高水稻產量成為農業科學家面臨的一個主要挑戰。

20世紀以矮化育種為標誌的「綠色革命」以及雜種優勢利用技術的發展帶來水稻、小麥、玉米等作物產量的大幅度提高。進入21世紀以來，人們在理解作物重要農藝性狀的分子機制方面取得了諸多突破性進展，大大拓寬和加深了對水稻生長和發育的認識，為通過分子育種技術促進稻米產量的提高奠定了重要基礎。

水稻分櫱數目、株高、分櫱角度、穗大小、穗粒數等株型特徵是控制產量的核心要素，而抽穗期、耐逆性、病蟲害抗性以及機械強度等特徵是作物適應不同生態區和自然環境獲得高產和穩產的關鍵。利用數量性狀基因位點（QTL）定位、圖位克隆以及全基因組關聯分析技術，將控制這些水稻重要農藝性狀的基因從自然變異或水稻突變體中鑒定出來，大大提高了對水稻複雜農藝性狀調控網路的理解。

李家洋指出，近年來水稻研究的突破開闢了一個從分子水平探索作物複雜農藝性狀調控機制的新時代。更重要的是，這些發現通過分子育種進一步促進了這些農藝性狀的合理設計，幫助培育出高產、環境適應性強、抗倒伏能力強、具有雜種優勢的優良作物品種。

從「跟跑者」變為「領跑者」

回顧世界水稻研究20年的歷史，中國科學家必定是一支不可或缺的關鍵力量。

事實上，從2002年12月，中國水稻基因組（秈稻）「精細圖」正式完成，標誌著我國水稻基因組研究正式進入世界前列，到鑒定並克隆出控制水稻農藝性狀的一系列關鍵基因，再到2017年2月，《自然—植物》發表評論用「中國的復興」稱讚中國水稻研究，中國的水稻研究已經從「跟跑者」變為「領跑者」。

上世紀90年代回國開展水稻研究的李家洋等一批科研人員推動並見證了這一蛻變。

這個過程並不輕鬆。李家洋記得，剛回國時，資金非常有限，條件也極其艱苦。如今黃金地段的奧運村當時是一大片農場，研究所搭建了簡易板房，「夏熱冬冷，板房裡的刺鼻味道讓人呆兩個小時就受不了了，但大家就這樣堅持了3年」。

正是基於這種堅持，李家洋帶領團隊率先在國內建立了植物基因圖位克隆技術體系。「學界普遍認為，該體系的建立極大推動了中國的水稻功能基因組研究。」李家洋課題組副研究員、上述綜述文章第一作者王冰告訴《中國科學報》，圖位克隆相當於在成千上萬的水稻基因「地圖」上，通過分子標記等方法，明確知道某個性狀是由某個基因控制的，然後分離鑒定該基因。

2003年，李家洋團隊利用圖位克隆技術，克隆了控制水稻分櫱起始的關鍵基因MOC1。「一個基因就能起這麼大的作用，當時大家都很震驚。」王冰說，同年，他們還成功利用該技術從水稻脆稈突變體中克隆了第一個控制水稻機械強度的BC1基因，為通過分子輔助育種改良作物細胞壁生物合成開闢了新途徑。

隨後，中國在水稻功能基因方面的研究工作開始突飛猛進，「國內科學家利用該體系，把控制產量、抗病蟲、耐鹽鹼、耐高低溫等基因克隆出來」。

上世紀90年代末，中國作為主要參與國牽頭髮起「國際水稻基因組測序計劃」，並率先完成了第4號染色體全長序列的精確測序。此後，科技部啟動的「功能基因組和生物晶元」重大科技專項在國際上率先獨立完成了秈稻9311全基因組測序和粳稻日本晴第4號染色體精確測序，建立了含27萬株獨立轉化子的水稻突變體庫和近4萬條cDNA文庫。

「科學研究永無止境。隨著時間的推移，作物對環境的適應、抗病抗蟲的要求、養分利用效能等都會變化，其基因功能研究也需要不斷更新。」李家洋說。

精準設計讓育種走向「定製」

中國大米「高產不好吃」的魔咒已被打破。李家洋所說「想要什麼樣的水稻便能培育出」的自信，來自水稻基礎研究者與育種家的「強強聯合」。

從過去「一把尺子一桿秤，用牙咬，用眼瞪」的經驗育種，到明確基因型表型效應的分子設計育種，「未來，精準設計育種是世界農業育種發展的制高點，既要數量，還要質量。」李家洋表示。精準設計有兩個前提條件，一是明確控制性狀的基因及其調控機制；二是掌握基因操控的相關技術手段。

中國地域遼闊，生態環境和消費喜好差異大，所需水稻品種也各不相同，更需要「精準設計」才能滿足需求。李家洋說，基因數量龐大且千變萬化，要找到最合適的基因組合方式，「比如，我們了解某個稻區的水稻品種、畝產、株高、粒數、口感等指標，知道這些指標由哪些基因控制，從而把這些基因聚合併培育新品種，這就是設計」。

現在的挑戰是，儘管目前水稻育種材料聚集了大部分優良性狀，但仍然需要進一步優化完善。由於國家尚未對基因編輯改造建立相關標準，目前對農作物的精準設計還無法實現生產上的應用。「這個改造不是轉基因，不涉及把水稻以外的基因搬進去。」李家洋說，「有了標準，農作物育種肯定又快、又好、又省事。」

李家洋表示，未來，環境影響基因表達調控的機制將是研究的重點。「事實上，農藝性狀是由基因與環境互作形成的，過去我們更多關注的是基因本身。」

理想的水稻品種究竟是怎樣的？在李家洋看來，這個品種應該具備高產、優質、高效、高抗等諸多優良性狀，「它需要一個過程，逐漸成為市場上的主流品種，引領生產與消費需求」。

來源：中國科學報

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