“舌尖上的革命”登上國家科技最高領獎台
2018年01月08日14:03

  中國青年報・中青在線記者 邱晨輝

  1月8日,一個和“吃”有關的科學研究登上了我國科技的最高領獎台,項目全稱聽上去略有些拗口:“水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計”(以下簡稱分子設計育種),但研究的問題卻很接地氣,即破解糧食生產“優質不高產,高產不優質”矛盾難題,說白了不僅讓老百姓吃飽,而且要吃好。

  很長一段時間以來,能夠走進公眾視野的農業新聞,往往是諸如“水稻產量打破世界紀錄”“玉米產量再創曆史新高”等產量突破的報導。但在今天這個糧食匱乏問題不再突出的時代,“量上去了,品質如何”的追問,被越來越多地拋出來。

  當天,由中科院院士、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋領銜的分子設計育種項目團隊摘得了2017年度國家自然科學一等獎,這被認為是中國自然科學領域的最高獎。

  我國著名遺傳學家、2006年度國家最高科技獎獲得者李振聲院士是該項目的推薦人,他說,如果用一句話來評價這個項目,即“引發一場新綠色革命的開端!”

  第三次綠色革命之問:不僅要吃飽而且要吃好

  說起綠色革命,人們最為熟悉的莫過於雜交水稻,我國以袁隆平院士為首的科研團隊完成的雜交水稻技術突破,就是第二次綠色革命的代表。

  而第一次綠色革命,則要追溯到上世紀60年代,由美國植物病理學家諾曼・E・勃勞格開創。李振聲將這次革命的成果簡稱為“矮化育種”。

  20年前,李振聲在時任中國農業部部長何康的一次家宴上見到了勃勞格,並單獨向他請教了綠色革命的起因。

  勃勞格告訴李振聲,他在許多國家調研發現,隨著化肥的大量使用,小麥等作物產量得到了暫時提高,但因為植株太高,出現了倒伏現象,有時反而造成減產,後來問題越來越突出,甚至嚴重影響了產量的提高。

  於是,勃勞格在墨西哥研究並最終育出豐產、抗鏽小麥品種,人稱“墨西哥小麥”。

  該品種推廣後,墨西哥從原本的小麥進口國,一躍成為位居世界第二的小麥出口國,同時這項技術還引發了一次世界性的小麥增產。勃勞格本人因此被譽為“綠色革命之父”,還一度被稱作“拯救世界饑餓的第一人”,並於1970年獲得諾貝爾和平獎。

  這是第一次綠色革命。第二次就是袁隆平運用超級雜交稻的技術成果,“用3畝地,可以產出4畝地糧食”,大幅度提高我國水稻單產和總產量。雜交水稻還被推廣到30多個國家和地區,種植面積達3000多萬畝,袁隆平因此被海內外譽為“雜交水稻之父”。

  不過,隨著生活水平的不斷提高,人們對糧食的“質量”提出了新的要求,比如“不僅要吃飽,而且要吃好,還要吃健康的食品,等等”,這些在李振聲看來,用之前兩次綠色革命的辦法,已很難滿足。

  比如,長江中下遊稻區是我國水稻主產區之一,曆史上是水稻育種水平和生產水平較高的地區。但近20年以來,該地區水稻產量進入一個緩慢增長期,主要表現就是“產量”與“早熟、品質、抗病蟲和抗逆性”等其他優良性狀之間的矛盾、品種退化等問題。

  換言之,農作物的“質”與“量”成了一對矛盾,兩者的優勢似乎沒法兼得。以水稻為例,高產的往往品質差、抗病蟲害能力低,但那些性狀好的水稻,卻又常常不高產。中科院遺傳發育所所長楊維才說,尤其在目前的高產栽培條件下,個體和群體的矛盾、產量和生育期的矛盾更加突出。

  第三次綠色革命應運而生。而李振聲眼中第三次綠色革命的開端,就是李家洋團隊的“分子設計育種”。

  高產與優質:魚與熊掌難以兼得?

  從宏觀上來看,科學家要找到水稻質與量的“完美協調點”,而從微觀層面來看,科學家就是要找到決定這個協調點的“基因”或者說“分子”。

  李家洋說,不同品種的水稻有不同的特性,有的抗倒伏,有的抗蟲,有的更高產……這些特性通常由某些基因決定。可到底是誰在某一方面擁有與眾不同的優勢,人類此前並不清楚。因此,想要調和水稻“質”與“量”的矛盾也並非易事。

  “如果某一個基因對應一個性狀,上萬個基因組合在一起加以變化,對應的性狀網絡,可能就是一個天文數字!”李家洋說,真要搞清楚基因和性狀的對應關係十分困難。

  這也是擺在世界育種科學家面前的一道難題,題目並不難描述,決定水稻產量和品質的主要因素也十分清楚,前者包括“穗數”“每穗粒數”“粒重”,後者包括“粘稠度”“直鏈澱粉含量”以及“糊化溫度”。

  不過,哪些分子決定“穗數”,哪些分子決定“每穗粒數”,哪些分子決定“粒重”,又有哪些分子決定“粘稠度”等等,就不得而知了。這就是李家洋團隊要破解的“基因密碼”。

  這當然離不開基因組學、計算生物學、系統生物學、合成生物學等新興學科近年來的快速發展。李振聲談起這個項目也反複提到,李家洋團隊能夠取得這方面的突破,和該團隊在基因測序、基因定位、基因複製、基因功能研究等方面的長期豐富積累不無關係。

  如今獲獎的這個研究項目其實包含多個科學發現,這其中最讓李家洋得意的,還是找到了“關鍵的基因”――IPA1,這是調控理想株型的分子模塊,有了它就能讓水稻的莖稈更粗壯,穗子大、穀粒大,這些是高產重要的性狀。

  接著,他的團隊又找到了Wx和ALK基因,前者主要調控“直鏈澱粉含量”和“粘稠度”,後者則主要調控“糊化溫度”,而其他一些基因則在調控網絡中起微效的調節作用。

  李家洋團隊也因為這些發現,不斷走向科學舞台的中央――

  團隊主要研究成果發表在Nature、NatureGenetics、PNAS、PlantCell等國際知名學術刊物,發表論文120多篇,累計影響因子大於1000,被SCI引用8000餘次,其中8篇代表性論文被引用超過2300次。

  在2014年,李家洋和團隊另一位主要成員、中科院上海生科院植生生態所韓斌院士入選當年度的湯森路透“全球最有影響力科學家”。

  而團隊的代表性研究成果“揭示水稻理想株型形成的分子調控機製”和“闡明獨腳金內酯調控水稻分蘖和株型的信號途徑”分別入選“2010年度中國科學十大進展”和2014年度中國科學十大進展”。

  分子設計育種:搭積木一樣“組裝”優勢基因

  這種分子育種技術和傳統育種技術有很大不同,李家洋打個了比方――

  常規育種好比在相親時“海選”:“科學家不知道哪個基因控製哪個性狀,只能靠經驗,通過最後的結果說明哪些基因組合是好的,這個過程非常漫長。”

  如今的分子育種則是從經過層層篩選之後的優秀“對象”里選擇:科學家知道“什麼基因在控製什麼性狀”後,就像搭積木一樣,將超高產、品質改良和抗性提升等優勢基因“組裝”起來,雜交出一種前所未見的超級水稻。

  李家洋團隊成員之一、中科院遺傳發育所副研究員劉貴富說,常規育種需要7至8年才能選出育種材料,分子育種技術能將其縮短到3至4年甚至更短,實現了快速、定向、高效培育系統改良的作物新品種,實現“精確育種”。

  這就是科學進步的結果。

  多年前,李家洋團隊在江蘇沭陽縣青伊湖農場培養了水稻新品種――嘉優中科1號,在剛剛過去的2017年,嘉優中科1號實收測產的結果為平均畝產911.3公斤,比當地主栽品種畝產增產200公斤以上。

  這意味著,李家洋團隊已經突破傳統育種技術,走出了分子育種的新路。加上早期尋找調控分子的研究時間,李家洋團隊花了近20年,才培育出“既有南方秈稻產量,又有北方粳稻品質”的新品種雜交水稻。

  長江中下遊地區自古是中國水稻的主產區之一,水稻的馴化和傳播正起源於此地。如今來看,水稻的未來可能也將被中國人率先改寫。

  按照李家洋的說法,接下來他的團隊還將朝著“量身定製”方向努力,比如,針對糖尿病人等特殊人群,可以找到那個“關鍵分子”,然後設計研製高抗性澱粉的水稻。

  他還希望賦予米飯從“主食”跨界“營養品”的雙重身份,這就需要研發出鋅、鐵、葉酸等重要營養元素含量高的水稻新品種。再往後,就要看人類對“吃”還有啥新要求。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽