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【中国科学报】做“用得上、有影响”的成果

  

   

  李家洋(中)正在考察水稻生长状况。中科院遗传发育所供图

  水稻是世界三大粮食作物之一,人类对其高产的追求从未停止过。在近百年的历史上,以矮化育种为标志的“绿色革命”以及杂交育种技术,使小麦、玉米、水稻等作物的产量大幅度提高,养活了越来越多的人口。

  然而,在人们“吃饱”的同时,粮食“量”与“质”的矛盾也开始凸显。科学家们在育种领域艰辛探索,希望培育出产量高、品质好的“黄金”种子。

  最终,这粒“理想水稻”的种子被我国科学家找到了。以李家洋、韩斌、钱前、王永红、黄学辉为代表的研究团队,通过逾20年的密切合作,开辟了一条前所未有的“寻种之路”——“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”,引发了一场“新绿色革命”。2017年,该项目荣获国家自然科学奖一等奖。

  这条寻觅之路是如何开辟的?科学家们如何联手推开了水稻品种设计的大门?

   白手起家:做好打“持久战”准备 

  国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士李振声曾倡导:农业科研领域的主要目标之一,是要为“新绿色革命”准备基因资源。

  然而,在那个育种学家们主要依靠“用眼看、用秤称、用尺量、用牙咬”的方式选育品种的年代,从分子机理和基因角度认识作物优良性状,可谓是科学研究尚需探索的领域。

  1994年,李家洋全职回到中国科学院遗传研究所(现中国科学院遗传与发育生物学研究所,简称遗传发育所)。那时,国家并不富裕,科研经费整体紧张,对于基础学科的资助很少。李家洋早已做好心理准备,他在30多平方米的旧实验室里白手起家,依靠研究所支持的启动经费,开始建立自己的实验室。

  开展研究工作,首要的是能保障课题组生存下去。为此,李家洋首先选择了在美国研究多年的拟南芥这一模式植物展开研究。他带领课题组潜心钻研,历时5年时间,在国内率先建立了植物图位克隆技术体系。

  图位克隆技术能够在不知道基因的表达产物、功能信息的情况下,把一个想要的基因从众多基因中分离出来。这为我国水稻功能研究奠定了重要基础,也为在水稻中进行基因克隆提供了技术路线。

  回顾过去,李家洋笑称:“这就像在全世界找一个人那么困难。不过当时从国外回来时,我们就已经做好了打‘持久战’的准备。”

  “我国粮食和农业增产的形势十分严峻。”在诸多场合,李家洋反复强调这句话。转向水稻研究后,他心里想的是如何提高产量,如何才能改善稻米的品质和营养价值,提高其对自然灾害的抵抗能力,减少化肥农药的使用,实现对资源环境的保护。

  “围绕国家需求和巨大挑战,研究要具备一定的特色。”他为实验室的奋斗目标绘制了一张“蓝图”,即通过对水稻各种性状机理的剖析,培育出适合不同自然条件的高产、稳产和有营养的新品种。

  设计育种的想法,在李家洋的心中逐渐萌芽。

  协同创新:把一件事做到极致 

  与李家洋共同“开荒”的还有钱前和韩斌。那时,钱前是遗传发育所“水稻分子遗传图谱和基因定位”方向的客座科学家。如今,他已是中国农业科学院水稻研究所稻种资源研究领域首席科学家,2019年当选中国科学院院士。

  “水稻的研究工作是极富智慧的,一株好的水稻要‘秀外慧中’,要求方方面面都‘恰到好处’。”这是钱前对水稻培育的愿景。

  共处同一座实验楼,有着共同的目标,李家洋和钱前很多时间都在一起交流如何开展水稻分子遗传学研究,常常讨论至深夜。

  他们意识到,水稻最重要的性状是产量,产量性状中最难掌控的是分蘖。作为水稻等禾本科作物在生长发育中形成的一种特殊分枝形式,分蘖与水稻的穗数密切相关,是影响水稻产量的重要因素。于是他们决定从寻找控制水稻分蘖的关键基因着手。

  此后的7年里,他们创新研究材料,最终采用图位克隆技术克隆了第一个控制水稻分蘖起始的关键基因MOC1,开拓了水稻分蘖形成的分子机理研究新领域。

  实现了从“0到1”的突破,后续研究变得“得心应手”。李家洋带领王永红等团队成员克隆了影响水稻分蘖数目、株高、分蘖角度、穗大小、穗型、茎秆强度等株型特征的一系列重要基因。更关键的是,他们还发现了理想株型形成的关键基因IPA1,解析了IPA1介导的株型发育分子机理与调控网络。

  1998年,国际水稻基因组测序计划正式启动。就在这一年,在英国剑桥大学从事植物病原菌分子遗传学研究的韩斌回国,入职中国科学院国家基因研究中心,牵头我国水稻基因组测序计划工作。如今,他已是中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任,并于2013年当选中国科学院院士。

  韩斌带领团队完成了几千份水稻样品的测序,为各个品种的水稻制作了“基因身份证”,解开了栽培稻的起源和驯化之谜,找到了影响水稻品质的相关基因……

  综合各项研究成果,团队最终绘制出了“水稻基因图谱”,为育种专家提供了一份“基因指南”。这份“指南”使科学家只需取下水稻叶片,测一下水稻的基因,就能判断出品质的好坏和米粒的口感。

  这些原创成果的突破,使中国水稻科研处于国际领先水平,这靠的不是运气,而是科学家们“大规模、系统化”的密切合作、协同创新,以及“二十年磨一剑”的坚守与不松懈。

  钱前每年有1/3的时间泡在水稻田里。他说:“在艰涩、枯燥的科研工作里,唯有日复一日、不畏艰苦地把一件事做到极致,才能在自己的领域有所收获。”

   造福人类:科学认知没有止境 

  茎秆矮壮、分蘖数量合理、穗多而粒大饱满——这是水稻育种学家心目中的理想株型。分子设计育种就可以选取相关性状的基因进行巧妙组合,培育出这样的“理想水稻”。

  “就像搭积木一样,有针对性地选择需要的积木,更快更好地搭建出需要的建筑。”李家洋解释道。它能实现品种“定制化”,可以精确改良缺点,聚合多个优点,培育出的“理想水稻”既高产又优质,同时还能大幅度提高育种效率,缩短育种年限。

  水稻理想株型研究发现了推进水稻产量提高的遗传学基础,研究成果是“绿色革命”的新突破,为“新绿色革命”奠定了重要的理论基础。

  “这是新绿色革命的开端,将推动农业育种走向分子设计时代。”李振声评价道,“科学研究工作既要有继承,也要有创新。从继承到前瞻,从实践到创新,每一步都要付出艰辛的努力。”

  历经20年的积淀与寻觅,他们终于迈出了分子设计育种实践的重要一步,让兼具高产和优质特性的稻米从实验室走向了餐桌。具有外观好、品质优、食味佳、抗病、耐逆和高资源利用率等优良特性的“嘉优中科”系列、“中科发”系列新品种已在长江中下游、东北平原大面积推广种植,真正实现了农业科技成果“用得上、有影响”。

  目前,我国植物遗传学研究在国际上已处于第一方阵。但在李家洋团队看来,从基础研究到应用,再到产品和产业化,事业未竟——控制优良性状的基因尚待挖掘;如何打通政产学研商全链条之路还需探索;加速品种智能化设计,研发高通量筛选手段还需努力……

  “科学总是在进步的,人们对科学的认知是没有止境的。”钱前说。

  “农业高质量发展在于科技创新,我们要做原创的、引领性的工作。”李家洋说,随着生活水平日益提高,人们对农业发展质量也提出了更高的要求,这就要求粮食生产不仅要高产稳产,还要营养安全,走绿色可持续发展之路。

  李家洋希望国家进一步加大对农业科技研发的支持力度,力求使动植物育种技术、生物肥料技术、科学培育技术等为保障我国的粮食安全作出更大贡献。

  (原载于《中国科学报》 2020-04-07 第1版 要闻)
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