作者丨韓揚眉 鄭金武
李家洋（中）正在考察水稻生長狀況。 中科院遺傳發育所供圖
水稻是世界三大糧食作物之一，人類對其高產的追求從未停止過。在近百年的歷史上，以矮化育種為標誌的“綠色革命”以及雜交育種技術，使小麥、玉米、水稻等作物的產量大幅度提高，養活了越來越多的人口。
然而，在人們“吃飽”的同時，糧食“量”與“質”的矛盾也開始凸顯。科學家們在育種領域艱辛探索，希望培育出產量高、品質好的“黃金”種子。
最終，這粒“理想水稻”的種子被我國科學家找到了。以李家洋、韓斌、錢前、王永紅、黃學輝為代表的研究團隊，通過逾20年的密切合作，開闢了一條前所未有的“尋種之路”——“水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計”，引發了一場“新綠色革命”。2017年，該項目榮獲國家自然科學獎一等獎。
這條尋覓之路是如何開闢的？科學家們如何聯手推開了水稻品種設計的大門？
白手起家：做好打“持久戰”準備
國家最高科學技術獎獲得者、中國科學院院士李振聲曾倡導：農業科研領域的主要目標之一，是要為“新綠色革命”準備基因資源。
然而，在那個育種學家們主要依靠“用眼看、用秤稱、用尺量、用牙咬”的方式選育品種的年代，從分子機理和基因角度認識作物優良性狀，可謂是科學研究尚需探索的領域。
1994年，李家洋全職回到中國科學院遺傳研究所（現中國科學院遺傳與發育生物學研究所，簡稱遺傳發育所）。那時，國家並不富裕，科研經費整體緊張，對於基礎學科的資助很少。李家洋早已做好心理準備，他在30多平方米的舊實驗室裡白手起家，依靠研究所支持的啟動經費，開始建立自己的實驗室。
開展研究工作，首要的是能保障課題組生存下去。為此，李家洋首先選擇了在美國研究多年的擬南芥這一模式植物展開研究。他帶領課題組潛心鑽研，歷時5年時間，在國內率先建立了植物圖位克隆技術體系。
圖位克隆技術能夠在不知道基因的表達產物、功能信息的情況下，把一個想要的基因從眾多基因中分離出來。這為我國水稻功能研究奠定了重要基礎，也為在水稻中進行基因克隆提供了技術路線。
回顧過去，李家洋笑稱：“這就像在全世界找一個人那麼困難。不過當時從國外回來時，我們就已經做好了打‘持久戰’的準備。”
“我國糧食和農業增產的形勢十分嚴峻。”在諸多場合，李家洋反覆強調這句話。轉向水稻研究後，他心裡想的是如何提高產量，如何才能改善稻米的品質和營養價值，提高其對自然災害的抵抗能力，減少化肥農藥的使用，實現對資源環境的保護。
“圍繞國家需求和巨大挑戰，研究要具備一定的特色。”他為實驗室的奮鬥目標繪製了一張“藍圖”，即通過對水稻各種性狀機理的剖析，培育出適合不同自然條件的高產、穩產和有營養的新品種。
設計育種的想法，在李家洋的心中逐漸萌芽。
協同創新：把一件事做到極致
與李家洋共同“開荒”的還有錢前和韓斌。那時，錢前是遺傳發育所“水稻分子遺傳圖譜和基因定位”方向的客座科學家。如今，他已是中國農業科學院水稻研究所稻種資源研究領域首席科學家，2019年當選中國科學院院士。
“水稻的研究工作是極富智慧的，一株好的水稻要‘秀外慧中’，要求方方面面都‘恰到好處’。”這是錢前對水稻培育的願景。
共處同一座實驗樓，有著共同的目標，李家洋和錢前很多時間都在一起交流如何開展水稻分子遺傳學研究，常常討論至深夜。
他們意識到，水稻最重要的性狀是產量，產量性狀中最難掌控的是分櫱。作為水稻等禾本科作物在生長髮育中形成的一種特殊分枝形式，分櫱與水稻的穗數密切相關，是影響水稻產量的重要因素。於是他們決定從尋找控制水稻分櫱的關鍵基因著手。
此後的7年裡，他們創新研究材料，最終採用圖位克隆技術克隆了第一個控制水稻分櫱起始的關鍵基因MOC1，開拓了水稻分櫱形成的分子機理研究新領域。
實現了從“0到1”的突破，後續研究變得“得心應手”。李家洋帶領王永紅等團隊成員克隆了影響水稻分櫱數目、株高、分櫱角度、穗大小、穗型、莖稈強度等株型特徵的一系列重要基因。更關鍵的是，他們還發現了理想株型形成的關鍵基因IPA1，解析了IPA1介導的株型發育分子機理與調控網絡。
1998年，國際水稻基因組測序計劃正式啟動。就在這一年，在英國劍橋大學從事植物病原菌分子遺傳學研究的韓斌回國，入職中國科學院國家基因研究中心，牽頭我國水稻基因組測序計劃工作。如今，他已是中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任，並於2013年當選中國科學院院士。
韓斌帶領團隊完成了幾千份水稻樣品的測序，為各個品種的水稻製作了“基因身份證”，解開了栽培稻的起源和馴化之謎，找到了影響水稻品質的相關基因……
綜合各項研究成果，團隊最終繪製出了“水稻基因圖譜”，為育種專家提供了一份“基因指南”。這份“指南”使科學家只需取下水稻葉片，測一下水稻的基因，就能判斷出品質的好壞和米粒的口感。
這些原創成果的突破，使中國水稻科研處於國際領先水平，這靠的不是運氣，而是科學家們“大規模、系統化”的密切合作、協同創新，以及“二十年磨一劍”的堅守與不鬆懈。
錢前每年有1/3的時間泡在水稻田裡。他說：“在艱澀、枯燥的科研工作裡，唯有日復一日、不畏艱苦地把一件事做到極致，才能在自己的領域有所收穫。”
造福人類：科學認知沒有止境
莖稈矮壯、分櫱數量合理、穗多而粒大飽滿——這是水稻育種學家心目中的理想株型。分子設計育種就可以選取相關性狀的基因進行巧妙組合，培育出這樣的“理想水稻”。
“就像搭積木一樣，有針對性地選擇需要的積木，更快更好地搭建出需要的建築。”李家洋解釋道。它能實現品種“定製化”，可以精確改良缺點，聚合多個優點，培育出的“理想水稻”既高產又優質，同時還能大幅度提高育種效率，縮短育種年限。
水稻理想株型研究發現了推進水稻產量提高的遺傳學基礎，研究成果是“綠色革命”的新突破，為“新綠色革命”奠定了重要的理論基礎。
“這是新綠色革命的開端，將推動農業育種走向分子設計時代。”李振聲評價道，“科學研究工作既要有繼承，也要有創新。從繼承到前瞻，從實踐到創新，每一步都要付出艱辛的努力。”
歷經20年的積澱與尋覓，他們終於邁出了分子設計育種實踐的重要一步，讓兼具高產和優質特性的稻米從實驗室走向了餐桌。具有外觀好、品質優、食味佳、抗病、耐逆和高資源利用率等優良特性的“嘉優中科”系列、“中科發”系列新品種已在長江中下游、東北平原大面積推廣種植，真正實現了農業科技成果“用得上、有影響”。
目前，我國植物遺傳學研究在國際上已處於第一方陣。但在李家洋團隊看來，從基礎研究到應用，再到產品和產業化，事業未竟——控制優良性狀的基因尚待挖掘；如何打通政產學研商全鏈條之路還需探索；加速品種智能化設計，研發高通量篩選手段還需努力……
“科學總是在進步的，人們對科學的認知是沒有止境的。”錢前說。
“農業高質量發展在於科技創新，我們要做原創的、引領性的工作。”李家洋說，隨著生活水平日益提高，人們對農業發展質量也提出了更高的要求，這就要求糧食生產不僅要高產穩產，還要營養安全，走綠色可持續發展之路。
李家洋希望國家進一步加大對農業科技研發的支持力度，力求使動植物育種技術、生物肥料技術、科學培育技術等為保障我國的糧食安全作出更大貢獻。
《中國科學報》 (2020-04-07 第1版 要聞)
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