李家洋：未来大米可个性化定制，不再只是主食

[编者按]

60%的中国人以大米为主食。如果你每天吃的白米可以定制，你想要什么？

未来，富含特定营养元素的彩色大米和“功能性大米”将走出实验室，摆上人们的餐桌，满足人们对大米颜色、形状、品质、营养等方面的个性化需求，提高人们的生活和健康水平。

中国的水稻育种技术在过去的十年里取得了快速的进步，育种者已经从传统的“经验育种”转变为高效设计的“精确育种”。在“中国实验室”第二季拍摄期间，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士向《澎湃新闻》(www.thepaper.cn)记者提出了分子设计育种技术在未来的广泛应用——如何因地制宜，通过基因设计培育出适合不同人群需求的产品，在“主食”之外增加水稻的“营养”认同。

李嘉阳认为，水稻的个性化育种是未来的趋势，其快速发展得益于中国广阔的国土和丰富多样的地理条件，为研究和生产创造了有利条件。与此同时，科学技术的发展大大加快了创造新品种的进程。在过去的30年里，中国的基础水稻研究经历了三个发展阶段，从学习国际先进水平，到与国际接轨，再到引领世界。这是中国科学发展的一个缩影。在未来，其他作物育种甚至整个生物育种都将复制这一过程，并逐步走向世界的前列。

从经验育种到精密育种

澎湃新闻:你如何通过分子设计和育种研究来提高稻米质量？

李嘉阳:像其他作物一样，水稻的重要农艺性状受一些重要基因控制。基因是控制产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等各个方面的主要因素。你需要事先了解这些控制基因的机制并进行设计。就像我们做手机一样，你可以把重要的部分组合起来，得到一个能满足不同人需求的产品。我们的农产品也是如此。基因就像零件。你知道这些基因的功能和机制。你可以组合不同的基因，并协调它们，得到你想要的品种。这叫做设计育种。这种设计不仅关乎产量和质量，还包括适应土地条件、气候变化和当地的生物条件，如病虫害，并做出一些最佳组合，以获得您想要的最理想状态。

爆炸性新闻:中国的水稻研究已经领先世界很多年了。与以前应用的育种技术如超级稻相比，分子设计育种有什么不同？

李嘉阳:每个人都在为一个共同的目标而努力，但是采取的方法不同，基础也不同。育种在过去是一门艺术。只有通过经验，我们才不知道哪些基因控制了哪些特征。最终结果显示了哪些基因组合是好的。这个过程非常漫长。在分子水平上理解水稻的高产、优质和抗性是一个仅在过去十年左右才突飞猛进的过程。新一代的分子育种者知道什么基因控制着什么性状，每种材料有什么不同，以及这些基因在什么样的材料中。然后我们有意识地、明确地选择它们进行杂交，并在早期进行鉴定和选择。通过高通量分析可以一次选择数百个目标基因。经过选择，他们可以种植在地面上，然后可以观察，鉴定和评估，以验证他们是否高产，优质，抗病，你最喜欢的芳香类型，等等。

在过去，这是被动的或靠运气完成的。这是一门艺术，但现在它是根据我们事先知道蓝图后的愿望设计的。这是科学进步的结果。

基因操纵不是基因改造的

爆炸性新闻:当谈到作物的基因操纵时，人们不禁会想到有争议的转基因作物话题。分子设计育种和转基因作物有什么区别？

李嘉阳:转基因生物的关键是一个词的变化。所有生物都有基因，这是第一个。第二，转基因和正常育种都是操作基因，但为什么它们不同？转基因是指引入外源基因，如水稻。我可能会通过特殊的无性繁殖方法将小麦、玉米、细菌甚至动物的一些基因植入水稻，让它发挥作用。这个过程被称为转基因。然而，我们对水稻本身进行基因研究。它不存在。它存在于大米中。我们只对基因做一些修改或改变。这种修改或改变并不涉及从外部引入基因。

未来的主食变成了营养

澎湃新闻:根据不同需求培育水稻是分子设计育种的优势之一。我听说你在研究糖尿病患者的大米品种。这项技术未来的应用前景如何？

李嘉阳:一般育种家都希望有大面积、高产的品种。很难制造特殊的小品种。但是，如果我们知道这个控制特殊功能的基因及其作用机制，我们就可以很容易地培育出一些特殊的品种，实现个性化定制育种。例如，对于糖尿病患者，有一个国际标准，即一个人每天吃20克抗性淀粉对糖尿病患者非常有益，并且血糖相对较低。然后种植含有10%或更多抗性淀粉的水稻。你一天吃的米饭中含有20克抗性淀粉，这对病人更好。

例如，如果儿童生长发育缺锌，那么我将培育一些含锌量高的水稻品种，这对缺锌儿童的发育可能非常重要。另一个例子是金米，它富含胡萝卜素，可以转化为维生素A。维生素A缺乏会导致失明和免疫水平低下。最初的金色大米是有争议的，因为它是由转基因方法制成的，这让每个人都很担心。它生产的物质最初是在胡萝卜或西红柿中大量生产的，而不是在大米中。但是大米本身有吗？是的，它不在米粒中，但主要在叶子中。我们能不能通过一些分子设计的想法来改变基因的表达方式和强度，使它们能在稻米中大量生产，从而解决儿童早期发育的失明问题？缺铁也是如此。我们许多人都缺铁。我们也可以种植一些高铁大米，然后你可以定制它。虽然栽培品种消耗较少，只要它们能满足这些特殊群体的需要。

分子设计育种是未来的技术，现在每个人都在努力推广它。一些根据大众需求定制的大米已经可以实现，比如味道好、品质高、长粒的大米。这种米有几项技术指标，包括直链淀粉含量、糊化温度、长宽比等。现在它已经开始推广这些大米。将来，当我们理解了所有特征和基因之间的关系，我们就可以根据每个人的要求生产出小群体需要的东西，而且我们可以生产得非常好。

爆炸性新闻:个性化大米价格会高吗？消费者什么时候能在市场上看到它？

李嘉阳:通常需要7到8年的时间，因为它必须经过一个一步一步的新品种批准程序才能生产。一般来说，新产品的价格会更高。事实上，现在市场上也有一些糖尿病患者可以使用的大米，其产量也是可以接受的，但其质量和效果还可以进一步提高。另一方面，其他一些好的品质需要整合和改进。价格必须更高，但当整个技术体系建立起来时，价格应该更合理。

科学技术帮助寻找最佳设计

爆炸性新闻:信息科学和技术在未来的分子设计和育种研究中将发挥多大的作用？

李嘉阳:我刚才说的听起来很简单，但实际上非常复杂。其中的信息量是巨大的。没有超级计算机，没有大数据我们就做不到。人们现在普遍认为，水稻有超过40，000个编码蛋白质的基因，而且它还有大量不编码蛋白质的基因。由于不同的生长环境，每个基因的差异将导致不同的农艺性状和不同的产量和质量。不仅仅是一个基因起了作用。一个基因可能有数百种不同的变化，许多基因可能有不同的组合。因此，尽管世界上有这么多科学家在做这件事，但总会有新的发现。

目前，公共科学家和企业都在努力按照自己的意愿设计和培育品种，这方面的进展将比我们预期的要快。现在人类的技术发展大大加快了创造新品种的进程。

水稻研究是中国科学发展的缩影

澎湃新闻:近年来，中国在水稻基因组学领域取得了突出成就。在过去的五年里，在《细胞》、《自然》和《科学》等国际*学术期刊上发表的水稻基因文章中，有40%来自中国科学家。这对中国未来的科学发展有什么意义？

李嘉阳:我认为水稻是我国农作物育种乃至整个生物育种的榜样。水稻的发展经历了三个阶段:20世纪90年代，在我国育种水平非常好的时候，成千上万的育种者选择了有经验、有艺术性的育种，但水稻基础研究仍然跟随国际先进水平。到20世纪90年代末，我们已经在一些领域达到了国际前沿，并仍在更多领域向国际社会学习。然而，在过去的十年里，我们在许多领域一直领先于世界，并为此感到非常自豪。我认为这是中国科学发展的缩影。许多未来的工作，如小麦、玉米、油菜和大豆，将会复制这一过程，特别是对于一些大型动物的繁殖。

水稻有很多优点，它的基因组相对较小，它的繁殖系数较大，而且很容易做各种研究材料。此外，中国地域相对广阔，东西南北跨度大，环境多样。你需要各种环境，高温和低温，来做研究。例如，在冬天，在北方的许多地方繁殖是不可能的，但是中国有海南岛和大量的土地。你可以去海南岛，一季种两次。但是在许多国家，这些都很难做到。其他作物也是如此。根据水稻研究的发展轨迹，棉花、玉米、小麦、油菜、大豆等各种蔬菜将逐渐成为世界研究的领导者。

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