“舌尖上的革命”登上国家科技最高领奖台

2017年10月31日，江苏省沭阳市“分子模块设计”育种水稻完成了实得产量测定。新华社记者金/照片(资料照片)

1月8日，一项与“吃”有关的科学研究登上了中国科技的最高领奖台。这个项目的全称听起来有点别扭:“水稻高产优质性状形成的分子机制和品种设计”(以下简称分子设计育种)。但是，这个研究问题是很有根据的，就是要解决粮食生产中的“优质、不高产、高产、不优质”的矛盾问题，说白了，不仅要养活老百姓，还要吃好。

长期以来，能够进入公众视野的农业新闻往往是关于产量突破的报道，如“水稻产量打破世界纪录”和“玉米产量创下新纪录”。然而，在一个粮食短缺问题不再突出的时代，越来越多的人在问“如果数量增加，质量会怎么样？”

同日，由中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李嘉阳带领的分子设计与育种项目组获得2017年国家自然科学奖一等奖，这是中国自然科学领域的最高奖项。

中国著名遗传学家、2006年国家最高科学技术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，那就是“一场新的绿色革命的开始！”

第三次绿色革命的问题:不仅要吃而且要吃得好

说到绿色革命，人们对杂交水稻最为熟悉。袁隆平院士领导的科研团队在杂交水稻技术上的突破是第二次绿色革命的代表。

第一次绿色革命可以追溯到20世纪60年代，由美国植物病理学家诺曼·E·勃劳格发起。李振声将这场革命的结果简称为“侏儒育种”。

20年前，在时任中国农业部长何康主持的家庭晚宴上遇到了布劳格，并单独向他询问了绿色革命的原因。

布劳格告诉李振声，他在许多国家的研究发现，随着化肥的大量使用，小麦和其他作物的产量暂时有所增加，但由于植物太高，发生倒伏，有时导致产量下降。后来，这个问题变得越来越突出，甚至严重影响了产量的提高。

结果，布劳格最终培育出了高产和抗锈病的小麦品种。继推广这一品种后，墨西哥已成为世界第二大小麦出口国，小麦原产进口国。与此同时，这项技术也引发了全球小麦产量的增加。布劳格本人被称为“绿色革命之父”，曾被称为“第一个将世界从饥饿中拯救出来的人”。他获得了1970年的诺贝尔和平奖。

这是第一次绿色革命。第二次是袁隆平应用超级杂交稻的技术成果，“三亩地，四亩粮”，大大提高了我国水稻的单产和总产量。因此，袁隆平在国内外被誉为“杂交水稻之父”。

然而，随着生活水平的不断提高，人们对食品的“质量”提出了新的要求，“不仅要吃好，还要吃健康的食品”以大米为例。高产水稻通常质量差，抗病虫害能力差，但那些具有良好性状的水稻通常不会高产。中国科学院遗传发展研究所所长杨说，在当前高产栽培条件下，个体与群体的矛盾、产量与生育期的矛盾更加突出。

第三次绿色革命开始了。在李振声看来，第三次绿色革命的开始是李嘉阳团队的“分子设计育种”。

高产优质:鱼和熊掌难兼得？

从宏观角度来看，科学家应该在稻米的质量和数量之间找到一个“完美的协调点”。在微观层面上，科学家正在寻找决定这一协调点的“基因”或“分子”。

李嘉阳说，不同的水稻品种有不同的特性，有些抗倒伏，有些抗虫，有些更高产...这些特征通常由某些基因决定。但是之前不清楚谁在某一方面有独特的优势。因此，调和稻米的“质”与“量”的矛盾并不容易。

“如果一个基因对应一个性状，成千上万个基因组合在一起发生变化，对应的性状网络可能是一个天文数字！”李佳阳说，真正理解基因和性状之间的对应关系非常困难。

这也是世界育种科学家面临的一个难题。标题不难描述。决定水稻产量和品质的主要因素也很清楚。前者包括“穗数”、“穗粒数”和“粒重”。后者包括“粘度”、“直链淀粉含量”和“糊化温度”。

然而，尚不清楚哪些分子决定“穗数”，哪些分子决定“每穗粒数”，哪些分子决定“粒重”，哪些分子决定“粘度”。这就是李嘉阳团队将破解的“遗传密码”。

当然，这与近年来基因组学、计算生物学、系统生物学、合成生物学和其他新兴学科的快速发展分不开。李振声在谈到这个项目时也多次提到，李嘉阳团队的突破与该团队在基因测序、基因定位、基因克隆和基因功能研究方面的长期丰富积累不无关系。

今天获奖的研究项目实际上包含了许多科学发现。其中，李嘉阳最引以为豪的是发现了“关键基因”IPA1，它是调节理想植物类型的分子模块。有了IPA1，水稻的茎可以更粗，穗可以更大，谷粒可以更大。这些是高产的重要特征。

然后，他的团队发现了Wx和ALK基因，前者主要调节“直链淀粉含量”和“粘度”，后者主要调节“糊化温度”，而其他基因在调节网络中起次要作用。

因为这些发现，李嘉阳的团队已经走向了科学舞台的中心——

该团队的主要研究成果已在国际知名学术期刊上发表，如《自然》、《自然遗传学》、《PNAS》、《植物细胞》等。发表论文120多篇，累计影响因子超过1000，被SCI引用8000次以上，其中8篇代表性论文被引用2300次以上。

该团队的代表性研究成果“揭示了水稻理想株型形成的分子调控机制”和“阐明了strigolactone调控水稻分蘖和株型的信号通路”分别被评为“2010年中国十大科技进步”和“2014年中国十大科技进步”。

分子设计育种:构建模块“组装”显性基因

这种分子育种技术与传统育种技术有很大不同。李嘉阳做了一个类比——

传统育种就像相亲中的“海洋选举”:科学家不知道哪些基因控制哪些性状，而仅仅依靠经验，最终结果显示哪些基因组合是好的。这个过程非常漫长。”

今天的分子育种是基于层层筛选后选出的优秀“对象”:科学家知道“什么基因控制什么性状”后，就像积木一样，他们“组装”优势基因，如超高产、品质改良和抗性改良，生产出前所未有的超级稻。

中国科学院遗传与发展研究所副研究员、李家洋团队成员刘桂福表示，常规育种需要7-8年来选择育种材料，分子育种技术可以将其缩短至3-4年甚至更短，从而实现快速、定向、高效培育系统改良的农作物新品种和“精确育种”。

这是科学进步的结果。

多年前，李佳阳团队在江苏省沭阳县清漪湖农场培育了水稻新品种嘉优中科1号。2017年，嘉优中科1号实际亩产911.3公斤，比当地主要品种增产200多公斤。

这意味着李嘉阳团队突破了传统的育种技术，走出了一条分子育种的新路。加上寻找调控分子的早期研究时间，李嘉阳团队花了近20年的时间开发出了一个兼具“南籼稻产量和北粳稻品质”的杂交水稻新品种。

长江中下游自古以来就是中国的主要水稻产区之一，水稻的驯化和推广起源于此。现在，稻米的未来也可能由中国人首先改写。

根据李佳阳的说法，他的团队也将努力向“量身定制”迈进。例如，对于特殊群体如糖尿病，可以找到“关键分子”，然后可以设计和开发具有高抗性淀粉的大米。

他还希望赋予大米从“主食”跨越国界的“营养”双重地位，这要求开发高锌、铁、叶酸和其他重要营养元素含量的大米新品种。在未来，这将取决于人类对“吃”有什么新的要求。

北京，1月8日

《中国青年报》、《中国青年在线》记者邱来源:《中国青年报》(2018年1月9日05版)