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大米“高产不好吃”魔咒被打破
时间:2019-05-31 11:34:23来源:中国科学报
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提要:世界上近半数人口以大米作为主食。然而,随着人口的不断增加与耕地数量的减少,如何提高水稻产量成为农业科学家面临的一个主要挑战。
大米“高产不好吃”魔咒被打破

  5月下旬,记者见到中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋的时候,他一如既往地忙碌。

  植物领域顶级国际期刊《植物细胞》创刊30周年,李家洋应邀对发表在该杂志的部分重要研究工作进行评述,重点关注了水稻生育期、株高、分蘖数目、育性控制以及机械强度等产量相关的重要农艺性状的分子机理,探讨了这些先驱性研究工作对作物农艺性状解析以及作物设计育种改良的重要贡献。他是唯一受邀撰文的亚洲科学家。

  而另一方面,李家洋团队培育的“中科804”以及“中科发”系列水稻新品种将在东北扩大种植面积至30万亩。“非常令人振奋。”李家洋很自豪。他告诉《中国科学报》,这是因为去年“中科804”在黑龙江五常市进行的3000亩示范中,表现出了高产、抗稻瘟病、抗倒伏等诸多优良农艺性状,口感与外观品质也十分优异。

  对于水稻而言,无论是科研还是产业,中国都已走到了世界前列。“‘日本大米比中国大米好’的说法已不成立,它们口感没有任何差别,而且外观上中国大米的色泽更透明、清亮。”李家洋说,“目前科学家们已经基本把水稻重要农艺性状形成的遗传机制弄清楚了,现在你想要什么样的水稻品种,只要把多个相关优良基因聚合在一起,就能培育出你想要的。”

21世纪的主要挑战

  世界上近半数人口以大米作为主食。然而,随着人口的不断增加与耕地数量的减少,如何提高水稻产量成为农业科学家面临的一个主要挑战。

  20世纪以矮化育种为标志的“绿色革命”以及杂种优势利用技术的发展带来水稻、小麦、玉米等作物产量的大幅度提高。进入21世纪以来,人们在理解作物重要农艺性状的分子机制方面取得了诸多突破性进展,大大拓宽和加深了对水稻生长和发育的认识,为通过分子育种技术促进稻米产量的提高奠定了重要基础。

  水稻分蘖数目、株高、分蘖角度、穗大小、穗粒数等株型特征是控制产量的核心要素,而抽穗期、耐逆性、病虫害抗性以及机械强度等特征是作物适应不同生态区和自然环境获得高产和稳产的关键。利用数量性状基因位点(QTL)定位、图位克隆以及全基因组关联分析技术,将控制这些水稻重要农艺性状的基因从自然变异或水稻突变体中鉴定出来,大大提高了对水稻复杂农艺性状调控网络的理解。

  李家洋指出,近年来水稻研究的突破开辟了一个从分子水平探索作物复杂农艺性状调控机制的新时代。更重要的是,这些发现通过分子育种进一步促进了这些农艺性状的合理设计,帮助培育出高产、环境适应性强、抗倒伏能力强、具有杂种优势的优良作物品种。

从“跟跑者”变为“领跑者”

  回顾世界水稻研究20年的历史,中国科学家必定是一支不可或缺的关键力量。

  事实上,从2002年12月,中国水稻基因组(籼稻)“精细图”正式完成,标志着我国水稻基因组研究正式进入世界前列,到鉴定并克隆出控制水稻农艺性状的一系列关键基因,再到2017年2月,《自然—植物》发表评论用“中国的复兴”称赞中国水稻研究,中国的水稻研究已经从“跟跑者”变为“领跑者”。

  上世纪90年代回国开展水稻研究的李家洋等一批科研人员推动并见证了这一蜕变。

  这个过程并不轻松。李家洋记得,刚回国时,资金非常有限,条件也极其艰苦。如今黄金地段的奥运村当时是一大片农场,研究所搭建了简易板房,“夏热冬冷,板房里的刺鼻味道让人呆两个小时就受不了了,但大家就这样坚持了3年”。

  正是基于这种坚持,李家洋带领团队率先在国内建立了植物基因图位克隆技术体系。“学界普遍认为,该体系的建立极大推动了中国的水稻功能基因组研究。”李家洋课题组副研究员、上述综述文章第一作者王冰告诉《中国科学报》,图位克隆相当于在成千上万的水稻基因“地图”上,通过分子标记等方法,明确知道某个性状是由某个基因控制的,然后分离鉴定该基因。

  2003年,李家洋团队利用图位克隆技术,克隆了控制水稻分蘖起始的关键基因MOC1。“一个基因就能起这么大的作用,当时大家都很震惊。”王冰说,同年,他们还成功利用该技术从水稻脆秆突变体中克隆了第一个控制水稻机械强度的BC1基因,为通过分子辅助育种改良作物细胞壁生物合成开辟了新途径。

  随后,中国在水稻功能基因方面的研究工作开始突飞猛进,“国内科学家利用该体系,把控制产量、抗病虫、耐盐碱、耐高低温等基因克隆出来”。

  上世纪90年代末,中国作为主要参与国牵头发起“国际水稻基因组测序计划”,并率先完成了第4号染色体全长序列的精确测序。此后,科技部启动的“功能基因组和生物芯片”重大科技专项在国际上率先独立完成了籼稻9311全基因组测序和粳稻日本晴第4号染色体精确测序,建立了含27万株独立转化子的水稻突变体库和近4万条cDNA文库。

  “科学研究永无止境。随着时间的推移,作物对环境的适应、抗病抗虫的要求、养分利用效能等都会变化,其基因功能研究也需要不断更新。”李家洋说。

精准设计让育种走向“定制”

  中国大米“高产不好吃”的魔咒已被打破。李家洋所说“想要什么样的水稻便能培育出”的自信,来自水稻基础研究者与育种家的“强强联合”。

  从过去“一把尺子一杆秤,用牙咬,用眼瞪”的经验育种,到明确基因型表型效应的分子设计育种,“未来,精准设计育种是世界农业育种发展的制高点,既要数量,还要质量。”李家洋表示。精准设计有两个前提条件,一是明确控制性状的基因及其调控机制;二是掌握基因操控的相关技术手段。

  中国地域辽阔,生态环境和消费喜好差异大,所需水稻品种也各不相同,更需要“精准设计”才能满足需求。李家洋说,基因数量庞大且千变万化,要找到最合适的基因组合方式,“比如,我们了解某个稻区的水稻品种、亩产、株高、粒数、口感等指标,知道这些指标由哪些基因控制,从而把这些基因聚合并培育新品种,这就是设计”。

  现在的挑战是,尽管目前水稻育种材料聚集了大部分优良性状,但仍然需要进一步优化完善。由于国家尚未对基因编辑改造建立相关标准,目前对农作物的精准设计还无法实现生产上的应用。“这个改造不是转基因,不涉及把水稻以外的基因搬进去。”李家洋说,“有了标准,农作物育种肯定又快、又好、又省事。”

  李家洋表示,未来,环境影响基因表达调控的机制将是研究的重点。“事实上,农艺性状是由基因与环境互作形成的,过去我们更多关注的是基因本身。”

  理想的水稻品种究竟是怎样的?在李家洋看来,这个品种应该具备高产、优质、高效、高抗等诸多优良性状,“它需要一个过程,逐渐成为市场上的主流品种,引领生产与消费需求”。

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作者系韩扬眉

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