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作为项目推荐人的李振声告诉记者,何况也为世界粮食安全作出了第一级的进献

26 7月 , 2019  

美高梅开户 1中科院遗传与发育生物学研究所李家洋在科技奖励大会现场新华社发美高梅开户 2美高梅开户 3李家洋团队在江苏省沭阳县的水稻示范田
“‘粮食安全’是指保证任何人在任何时候能买得到,又能买得起为维持生存和健康所必需的足够食品。”联合国粮农组织通过的这个定义实际上也是对国际社会提出的一个要求。“国以民为本,民以食为天。”多年来,中国不仅一直致力于从根本上解决自身面对的粮食安全问题,切实做到“把饭碗牢牢端在自己手中”,而且也为世界粮食安全作出了杰出的贡献。

国家最高科学技术奖获得者、小麦远缘杂交育种奠基人李振声在20多年前向诺贝尔奖和平奖得主诺曼·博洛格(Norman
Borlaug)发问:“您怎么会发起‘绿色革命’?”

中国一代又一代优秀的农业科技工作者接续奋斗,与世界各国同行一起,掀起了以粮食增产为核心目标的“第一次绿色革命”。不仅如此,,他们充分利用现代生物技术成果,推进农业基因组学基础研究取得一系列重大突破,正在催生一场增加农作物的功能并将其拓展到医药、能源甚至工业等领域的“新绿色革命”。在此过程中,涌现出了以中科院遗传与发育生物学研究所李家洋、中国农科院中国水稻研究所钱前、中科院上海生科院植生生态所韩斌等为代表的优秀科学家。近日,他们合作开展的“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”项目被授予中国自然科学领域的最高奖项即国家自然科学一等奖。

“绿色革命”指促进粮食增产的技术改革活动。20世纪中期,以博洛格为首的小麦育种专家培育出30多个矮秆或半矮秆的、具有高产、抗病等突出优点的小麦品种。墨西哥推广矮秆小麦以后,一举从粮食进口国变为出口国。

获农户青睐初建口碑

“植株矮、穗数多、产量高,新品种受到农民的欢迎。”博洛格当时告诉李振声,他看到前来参观的农民迫不及待地掐穗子装在衣兜里,心里暗暗高兴。

2017年金秋10月,江苏省沭阳县青伊湖农场的1.4万亩水稻示范方田迎来丰收季。在现场众多农业专家和媒体记者的见证下,万亩示范方田实际测得平均亩产达到911.3公斤,比当地主栽品种每亩增收近270公斤。该品种水稻不仅成功实现了超高产,并且有抗稻瘟病、抗倒伏、早熟等优良特性,同时又实现了种植区域北移。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋及其合作者正在品尝这种喜悦。1月8日,他们的项目“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”获2017年度国家自然科学奖一等奖。作为项目推荐人的李振声告诉记者:“这个项目会引发一场新的‘绿色革命’。”

上述水稻品种就是“嘉优中科1号”,是李家洋团队等运用“分子模块设计”技术育成的系列品种之一。示范田测产获得的喜人数据,对于“嘉优中科”水稻品种来说无疑是最好的广告。一些种粮农户从示范田稻秧种植起就密切关注着进展,而测得高产让他们跃跃欲试。

通俗来说,李家洋团队主要是为解决稻米的两个“好”——既“好看”又“好吃”。前者是指培育出分蘖数适宜、茎秆强壮、穗大粒多的高产理想株型品种,后者是指具有优良的食用品质。

“这么大面积,有如此产量实属罕见,单独水稻季亩效益1400多元,“嘉优中科1号”是我们这些种田大户的福音。我要先种几亩地试试。”一名农户在微信群里这样留言。显然,他开始迷上了“嘉优中科1号”。“去年栽30亩地,平均1920斤。”另一位种植户的留言中透露了自己种植“嘉优中科1号”的收获。对粮食新品种来说,种植户的口碑当然是最实在、最重要的。随着“嘉优中科”系列水稻新品种在全国更多省区市通过审定,更多农户将会购买和种植,其优良的性状将会被进一步认知。

研究团队用了十余年发掘出决定水稻是否“好看”的关键基因。“水稻有着数万个基因,我们从中找到了控制理想株型的主效基因IPA1。”项目主要完成人、中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所所长韩斌说,IPA1在田间表现平平无奇,“但把IPA1优异等位基因导入水稻主栽品种中,可以重塑理想株型性状,使产量显著提高”。

找到关键基因实现高产质优

他们不仅给水稻“整形”,向国内水稻育种单位发放2000余份次理想株型种质,还育成“嘉优中科”系列水稻新品种,连续两年万亩示范平均产量比当地主栽品种增产20%以上,且适合机械化或直播等栽培方式。

如何培育出优质的水稻品种,让出产的大米既高产、好吃又有营养,即所谓“高产优质”,一直是世界性难题。李家洋团队选择的研究路径是:借助现代基因技术,绘制水稻基因图谱,研究水稻性状特别是与高产和口感、营养有关的性状与某些基因控制之间的关系,找到合适的品种进行杂交,最终得到需要的理想品种。

科学上衡量水稻是否“好吃”则是依据胶稠度、直链淀粉含量和糊化温度。李家洋团队基于这三个蒸煮品质的理化指标,根据18个与淀粉合成相关基因的遗传变异,开发出51组分子标记,为分子标记辅助选育并改良稻米品质提供了工具。

与水稻“高产”有关的性状是分蘖数和分蘖角度等,而培育高产的水稻品种必须找到与上述性状有关的基因,弄懂相关基因控制原理。李家洋在2008年发表的一篇文章中表示,在“973”计划项目的大力支持下,他和团队通过10年研究,成功找到了水稻分蘖数量和角度的分子机理。

项目主要完成人、中国农业科学院中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室主任钱前说,他们把粳稻中淀粉合成相关基因的优良等位变异导入高产籼稻品种,为解决水稻产量与品质相互制约的难题提供切实可行的策略。

水稻的高产品种从性状上来说应具有水稻的理想株型:茎秆粗壮,分蘖数量合理,每个分蘖上都能长出大穗,粒大而饱满。这样项目团队面临的核心科学问题实际上就是找到“水稻理想株型与品质形成的分子机理”。经过多年攻关,李家洋等科学家创建了直接利用自然品种材料进行复杂性状遗传解析的新方法,揭示了水稻理想株型形成的分子基础,从水稻4万多个基因中,找到了影响理想株型形成的关键基因IPA1,使带有半矮秆基因的现有高产品种的产量进一步提高。水稻口感、营养成分等与大米的胶稠度、直链淀粉含量等有关,也是由相关基因进行控制的。钱前表示,项目团队找到了与水稻品质有关的基因,并进行了精细调控。这样,项目团队就从分子层面解决了水稻“高产”和“优质”问题,最终培育出了“嘉优中科”系列水稻新品种和具有“籼稻产量、粳稻品质”特征的“广两优”系列品种,为我国水稻分子设计育种与生产的跨越式发展奠定了基础。

需指出的是,上述做法不同于转基因技术。李家洋解释,“分子设计育种”不存在基因编辑,也没有引入外来基因,而是从水稻天然基因里进行筛选。

特色鲜明未来可“定制”

事实上,研究团队的第三项突出贡献正是高效挖掘与利用水稻优异种质资源。一方面,他们首创了全新的基因分型算法,构建出高密度的水稻单倍体型图谱。“筛选出千余份遗传多样性丰富的代表性水稻种质资源和地方品种材料,绘制出‘解剖图’,供育种学家不断组合出新品种。”韩斌说。

“分子设计”育种既不同于转基因也不同于传统杂交。李家洋指出,转基因是指把外源的基因“转”进来。他举例说,比如转基因水稻,可能是把小麦的、玉米的,也可能把细菌的,甚至动物的一些基因通过特殊的、无性的方法“转”到水稻里去,形成新品种。而“分子设计”育种所用到的都是水稻本身的基因,只是对基因做一些修改或改变,这个修改或者改变不涉及把外面的基因搬进来。

另一方面,他们阐明水稻的起源及驯化过程,构建出水稻全基因组遗传变异的精细图谱。李家洋兴奋地告诉记者,“家谱”显示粳稻类型的栽培稻首先在中国南方珠江流域被驯化出来,人们在此基础上再驯化出籼稻品种。

由于没有现代生物科技的支持,传统杂交育种不了解基因与性状之间的控制关系和机理,只能靠经验进行,通过最后的结果判断基因组合的优劣,这个过程盲目而漫长。分子设计育种则从分子水平上了解水稻高产、优质、抗性,有意识地、明确地通过杂交进行基因组合并在很早期的时候就进行鉴定选择和验证,从而大大提高了育种的效率。

据统计,这个项目的研究成果已在国际权威学术刊物上发表论文120多篇,被《科学引文索引》引用8000余次。评论称,它为水稻及其他作物分子设计育种提供了重要指导与示范作用。

对“分子设计”育种的发展前景,李家洋表示,随着生物科技的进步,我们在分子层面对相关控制机理有更多更深入认识,就可以很方便地培养出一些特殊的品种,有望实现个性化的订制育种。比如,定向培育出适宜糖尿病人的大米,培育出适宜缺锌儿童的高锌水稻品种。

科学家们并不满足于此,一组组数据压在他们的心头。中国以水稻为主粮,但粮食自给率下降到85%,2010年以后更是由大米净出口国转为大米净进口国,国家粮食安全面临的挑战日益严峻。

同行赞誉国际领先

李家洋说,2017年金秋时节,名为“嘉优中科1号”的超级水稻在江苏沭阳迎来丰收,测产结果为平均亩产达到900公斤以上,颇受当地种粮大户的青睐,“只有农民愿意种,这样的新品种才有意义”。

就一项科研成果来说,同行评价无疑是极其重要的。对李家洋团队的水稻新品种“嘉优中科”和“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”项目成果,其他农业科技专家特别是粮食育种专家是如何看待呢?

美高梅开户,“随着人民生活水平不断提高,对粮食作物的要求不仅体现在吃饱、吃好,还体现在要吃得健康,这是传统育种手段难以做到的。该项目设计育种技术的突破,正是对高产优质等复杂性状分子机理的阐明,打破了无法通过田间观察方式判断水稻品质的局限。”该项目推荐人、中科院院士李振声高度赞赏李家洋团队的工作。作为国际著名作物遗传学家、2006年国家最高科学技术奖获得者,李振声认为,该项目通过分子标记选择,成功实现了水稻高产和优质聚合一体的目标。这项成果还将进一步扩展到其他作物的育种之中,引发继袁隆平杂交水稻的“新绿色革命”。

无独有偶,《科学》杂志以“新绿色革命”为关键词对李家洋团队的项目进行了点评,认为该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。《自然·遗传学》杂志高度评价说,理想植株在育种中可以与其他基因(其他高产基因、抗性基因)聚合,产生更加高产的水稻品种。在学术界,李家洋团队产生了广泛而重大的影响。截至2017年,其研究成果在国际权威学术刊物上共发表论文120多篇,累计影响因子大于1000,被SCI引用8000余次,其中8篇代表性论文引用超过2300次。

(原载于《人民日报海外版》2018-01-2008版)

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