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“舌尖上的革命”登上国家科技最高领奖台

发布时间:2018-01-10 12:41  来源:搜狐   编辑:宋元明清

“舌尖上的革命”登上国家科技最高领奖台

1月8日,一个和“吃”有关的科学研究登上了我国科技的最高领奖台,项目全称听上去略有些拗口:“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”(以下简称分子设计育种),但研究的问题却很接地气,即破解粮食生产“优质不高产,高产不优质”矛盾难题,说白了不仅让老百姓吃饱,而且要吃好。

很长一段时间以来,能够走进公众视野的农业新闻,往往是诸如“水稻产量打破世界纪录”“玉米产量再创历史新高”等产量突破的报道。但在现今这个粮食匮乏问题不再突出的时代,“量上去了,品质如何”的追问,被越来越多地抛出来。

当天,由中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋领衔的分子设计育种项目团队摘得了2017年度国家自然科学一等奖,这是中国自然科学领域的最高奖。

我国著名遗传学家、2006年度国家最高科技奖获得者李振声院士是该项目的推荐人,他说,如果用一句话来评价这个项目,即“引发一场新绿色革命的开端!”

第三次绿色革命之问:不仅要吃饱而且要吃好

说起绿色革命,人们最为熟悉的莫过于杂交水稻,我国以袁隆平院士为首的科研团队完成的杂交水稻技术突破,就是第二次绿色革命的代表。

而第一次绿色革命,则要追溯到上世纪60年代,由美国植物病理学家诺曼·E·勃劳格开创。李振声将这次革命的成果简称为“矮化育种”。

20年前,李振声在时任中国农业部部长何康的一次家宴上见到了勃劳格,并单独向他请教了绿色革命的起因。

勃劳格告诉李振声,他在许多国家调研发现,随着化肥的大量使用,小麦等作物产量得到了暂时提高,但因为植株太高,出现了倒伏现象,有时反而造成减产,后来问题越来越突出,甚至严重影响了产量的提高。

于是,勃劳格最终育出丰产、抗锈小麦品种。该品种推广后,墨西哥从原本的小麦进口国,一跃成为位居世界第二的小麦出口国,同时这项技术还引发了一次世界性的小麦增产。勃劳格本人因此被誉为“绿色革命之父”,还一度被称作“拯救世界饥饿的第一人”,并于1970年获得诺贝尔和平奖。

这是第一次绿色革命。第二次就是袁隆平运用超级杂交稻的技术成果,“用3亩地,可以产出4亩地粮食”,大幅提高我国水稻单产和总产量。袁隆平因此被海内外誉为“杂交水稻之父”。

不过,随着生活水平的不断提高,人们对粮食的“质量”提出了新的要求,“不仅要吃饱,而且要吃好,还要吃健康的食品”。以水稻为例,高产的往往品质差、抗病虫害能力低,但那些性状好的水稻,却又常常不高产。中科院遗传发育所所长杨维才说,尤其在目前的高产栽培条件下,个体和群体的矛盾、产量和生育期的矛盾更加突出。

第三次绿色革命应运而生。而李振声眼中第三次绿色革命的开端,就是李家洋团队的“分子设计育种”。

高产与优质:鱼与熊掌难以兼得?

从宏观上来看,科学家要找到水稻质与量的“完美协调点”;而从微观层面来看,科学家就是要找到决定这个协调点的“基因”或者说“分子”。

李家洋说,不同品种的水稻有不同的特性,有的抗倒伏,有的抗虫,有的更高产……这些特性通常由某些基因决定。可到底是谁在某一方面拥有与众不同的优势,人类此前并不清楚。因此,想要调和水稻“质”与“量”的矛盾也并非易事。

“如果某一个基因对应一个性状,上万个基因组合在一起加以变化,对应的性状网络,可能就是一个天文数字!”李家洋说,要真搞清楚基因和性状的对应关系十分困难。

这也是摆在世界育种科学家面前的一道难题,题目并不难描述,决定水稻产量和品质的主要因素也十分清楚,前者包括“穗数”“每穗粒数”“粒重”,后者包括“黏稠度”“直链淀粉含量”以及“糊化温度”。

不过,哪些分子决定“穗数”,哪些分子决定“每穗粒数”,哪些分子决定“粒重”,又有哪些分子决定“黏稠度”等等,就不得而知了。这就是李家洋团队要破解的“基因密码”。

这当然离不开基因组学、计算生物学、系统生物学、合成生物学等新兴学科近年来的快速发展。李振声谈起这个项目也反复提到,李家洋团队能够取得这方面的突破,和该团队在基因测序、基因定位、基因克隆、基因功能研究等方面的长期丰富积累不无关系。

如今获奖的这个研究项目其实包含多个科学发现,这其中最让李家洋得意的,还是找到了“关键的基因”——IPA1,这是调控理想株型的分子模块,有了它就能让水稻的茎秆更粗壮,穗子大、谷粒大,这些是高产重要的性状。

接着,他的团队又找到了Wx和ALK基因,前者主要调控“直链淀粉含量”和“黏稠度”,后者则主要调控“糊化温度”,而其他一些基因则在调控网络中起微效的调节作用。

李家洋团队也因为这些发现,不断走向科学舞台的中央——

团队主要研究成果发表在Nature、Nature Genetics、PNAS、 Plant Cell等国际知名学术刊物,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。

团队的代表性研究成果“揭示水稻理想株型形成的分子调控机制”和“阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径”分别入选“2010年度中国科学十大进展”和2014年度中国科学十大进展”。

分子设计育种:搭积木一样“组装”优势基因

这种分子育种技术和传统育种技术有很大不同,李家洋打个了比方——

常规育种好比在相亲时“海选”:“科学家不知道哪个基因控制哪个性状,只能靠经验,通过最后的结果说明哪些基因组合是好的,这个过程非常漫长。”

如今的分子育种则是从经过层层筛选之后的优秀“对象”里选择:科学家知道“什么基因在控制什么性状”后,就像搭积木一样,将超高产、品质改良和抗性提升等优势基因“组装”起来,杂交出一种前所未见的超级水稻。

李家洋团队成员之一、中科院遗传发育所副研究员刘贵富说,常规育种需要7至8年才能选出育种材料,分子育种技术能将其缩短到3至4年甚至更短,实现了快速、定向、高效培育系统改良的作物新品种,实现“精确育种”。

这就是科学进步的结果。

多年前,李家洋团队在江苏沭阳县青伊湖农场培养了水稻新品种——嘉优中科1号,在刚刚过去的2017年,嘉优中科1号实收测产的结果为平均亩产911.3公斤,比当地主栽品种亩产增产200公斤以上。

这意味着,李家洋团队已经突破传统育种技术,走出了分子育种的新路。加上早期寻找调控分子的研究时间,李家洋团队花了近20年,才培育出“既有南方籼稻产量,又有北方粳稻品质”的新品种杂交水稻。

长江中下游地区自古是中国水稻的主产区之一,水稻的驯化和传播正起源于此地。如今来看,水稻的未来可能也将被中国人率先改写。

按照李家洋的说法,接下来他的团队还将朝着“量身定制”方向努力,比如,针对糖尿病人等特殊人群,可以找到那个“关键分子”,然后设计研制高抗性淀粉的水稻。

他还希望赋予米饭从“主食”跨界“营养品”的双重身份,这就需要研发出锌、铁、叶酸等重要营养元素含量高的水稻新品种。再往后,就要看人类对“吃”还有啥新要求了。

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