优质的水稻种子哪里来？| “率先行动”成果解读
2020/9/7 7:00:00 科学大院
编者按：
自2014年“率先行动”计划实施以来，中国科学院以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，认真贯彻落实习近平总书记提出的“三个面向”“四个率先”要求，把实施“率先行动”计划作为重大政治任务和重大科技任务，在科技创新发展、国家创新人才高地建设、高水平科技智库建设、一流科研机构建设等方面取得了重大进展和突出成效，全面完成了“率先行动”计划第一阶段目标任务，在我国创新型国家和科技强国建设中起到了引领带动作用，为2030年全面实现“四个率先”目标打下了坚实基础。
“率先行动”计划第一阶段取得了许多重大科技成果及标志性进展，这些成果面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场。科学大院开设了“率先行动成果解读”专栏，邀请科学家跟你讲讲这些“高大上”的成果究竟是怎么一回事。
作者：王冰 余泓
作者单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所
目前正是秋收的时节，按照农业农村部的预判，今年又是一个丰年。“春种一粒粟，秋收万颗子”，种子是丰收的第一步。你知道，这些高产的种子从哪儿来？这就要说到“育种”的工作了。
(图片来源：新华视界)
农作物都来自自然界，在漫长的历史中被人类驯化，从野生变为栽培。人们根据不同的目标，不断改造作物，这个过程就是“培育”(育)。所谓“种”，就是用于扩大繁殖的源头种子。能够稳定遗传，并在一定的生态环境下能够保持较高产量和较好品质的种子就形成了“品种”。
水稻是我们日常生活中的主要粮食作物，现在世界上60%的人以稻米作为主食。人们希望水稻能高产优质、抗逆性好、少施化肥、不打农药、富含特定营养元素、适合特定人群食用……那么水稻的产量如何提高，口感和营养俱佳的水稻品种如何培育呢？
从自然突变到人工设计 水稻育种的三个时代
水稻育种历经了自然育种、遗传育种、分子设计育种三个时期。
自然育种
从野生稻到人工栽培稻是育种的第一个时期，可以称之为自然育种。
五谷的驯化开启了中华民族的农耕文明，使我们的先祖从游牧状态进入了定居状态。但是，从野生稻到栽培稻的驯化跨越了五千余年。与栽培稻相比，野生稻通常具有种子比较小，茎秆匍匐生长，成熟后籽粒容易脱落、稻米口感差等缺点。在驯化水稻的过程中，祖先们只能靠运气寻找，如果某个品种产生了突变(比如种子更大、茎秆更坚挺)，就会被人们大量栽培，从而保留下来，经过逐年累月的积累，品种也越变越好。
左为野生水稻，右为栽培水稻
(图片来源：Control of a key transition from prostrate to erect growth in rice domestication. Nat Genet, 2008，40(11): 1360-1364)
自然育种的核心是自然突变。遗传变异和自然选择是物种进化的基础。自然突变发生效率很低，其中大部分变异是不影响表型的突变，甚至是有害突变，仅有少部分是有利突变，因此自然育种过程非常缓慢、可选择的范围有限。
遗传育种
随着遗传学的发展，特别是孟德尔遗传定律的提出、摩尔根染色体遗传理论的发现以及DNA双螺旋结构的解析，人们对作物的表型与遗传物质之间的关系有了深入的认知，遗传育种应运而生。人们可以在遗传学的指导下，提高育种效率，比如人工杂交育种(简称“人工育种“)、诱变育种等。
人工育种的核心是有性杂交，即具有不同遗传物质的父本和母本进行有性生殖，产生变异的后代，从后代中选育兼具父本和母本有利性状的新品种。诱变育种则利用人工诱变，提高突变发生的几率，从而比自然突变更快的产生各种有利突变和不利突变。
DNA(图片来源：veer图库)
以矮化育种为核心的第一次绿色革命和以杂种优势利用为核心的杂交水稻技术均是人工育种的成功范例，显著提高了作物产量，不仅解决了中国人的吃饭问题，也被认为是解决世界饥饿问题的法宝。
杂交水稻的三系法和两系法育种体系(图片来源：作者提供)
不过，人工育种也面临不少困难：
一是很难选择到理想的亲本材料，有时需要花费大量时间与人力选择和培育合适的亲本材料；二是亲本的配合度很难预测，需要进行大量的杂交组合测配，需要大量人力与较长的时间；三是不育系的繁育困难大，容易产生可育种子的混杂；四是杂交种子的生产，技术复杂难度大，易受环境影响。
总之，基于杂交和人工选择的育种模式，依赖于育种家的经验，需要大规模的群体筛选，工作量大、耗时长。
分子设计育种
进入新世纪以来，随着分子遗传学、基因组学等领域的快速发展，分子设计育种的理念被提出，其技术体系不断完善。分子设计育种是在解析作物重要农艺性状的分子机理的基础上，通过品种设计对多基因控制的复杂性状进行定向改良，以达到综合性状优异的目标。
分子设计育种技术的突破依赖于在基因水平上对产量、品质、营养高效、抗病虫、耐逆性等复杂农艺性状控制机理的解析，以及基因组测序、基因型高通量分析、基因编辑等技术的快速发展。
像搭积木一样“设计”种子
和其它农作物一样，水稻的产量、品质、抗逆性和特殊营养价值等各种性状都是由基因控制的，可以说，这些基因就像一个个零件。掌握了水稻的基因信息和对应的性状，就可以像搭积木一样，设计出完美的水稻品种。
(图片来源：veer图库)
分子设计育种的关键是对亲本材料目标优异基因和分子调控网络有深入的认识，根据目标性状在杂交前进行设计，就像用不同的部件去组装工业产品一样。设计的过程不仅仅要考虑产量和品质，更包括土地的状况、气候的变化、当地的生物状态(比如病虫害情况)，从而进行优化组合，达到最理想的状态。
2002年，韩斌院士等我国科学家完成水稻基因组测序工作，为水稻功能基因组研究和分子育种奠定了重要基础。有了基因组全图，就为全方位多视角评估每个基因的功能及其相互关系打下了重要基础。就像卫星导航一样，能够观察到地球每个角落的细节。
水稻粳稻籼稻基因组测序工作完成
在分子设计育种出现之前，培育产量高、抗病虫、耐逆强、米质佳等综合性状优异的水稻品种非常困难。
传统的育种只能被动进行或者靠运气。人们不知道哪个基因控制哪个性状，只能靠经验在田间进行大量筛选，通过最后的结果判断育种效果。这个过程非常漫长：针对植株高矮、分蘖数目以及角度、生育期、穗大小等田间容易观察的性状进行选择，相对还比较容易；针对抗虫、抗病、抗逆等在特殊条件下才能表现出差异的性状，需要种在不同的地方进行筛选；对于稻米品质等肉眼不可见的性状，则需要在收获之后，将稻米加工蒸煮出来才能够检测和鉴定，效率低成本高。
而新一代的分子育种家知道控制目标性状的基因，也知道在哪些品种里有这些基因，就可以按照育种家的意愿组合设计出“种子蓝图“，然后选择合适的亲本进行杂交，把这些基因聚合起来。在苗期快速、高通量地检测目标基因，鉴定出合适的杂交组合进行栽培，再去观察验证和评价，大大提高了育种效率。
可以说，分子设计育种把育种从不可控的“运气”变成了可控的”零件组装“，这是科学进步的结果。
分子设计育种：
如何解决水稻生产中的实际问题？
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家洋的团队，深入研究控制水稻产量和品质的分子机理，进一步通过分子设计育种技术，培育出了高产优质的水稻新品种。
“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”获2017年度国家自然科学一等奖(图片来源：作者提供)
嘉优中科系列水稻新品种
长江中下游稻区是我国水稻主产区之一，历史上一直是我国水稻育种和生产水平领先的地区。但近20年以来，该地区水稻产量进入了一个缓慢增长期，高产与早熟、优质、抗病虫、抗逆性等性状之间的矛盾日益突出。
针对这些问题，李家洋团队与嘉兴市农科院李金军团队合作，经过精心设计，以理想株型基因IPA1为主线，以恢复系“嘉恢306”为底盘品种，通过杂交及回交和分子检测，将理想株型基因优异等位位点及控制早熟、低直链淀粉等优异性状的基因聚合到“嘉恢306”中，成功培育出“嘉优中科”系列水稻新品种。这些新品种具有株高适宜、分蘖适中、无效分蘖少、茎秆粗壮、根系发达等明显的理想株型特征，且成熟期早、抗逆性强、适合机械化直播，增产效果显著，已有6个品种分别通过国家和多省审定。
“嘉优中科6号”田间长势(图片来源：作者提供)
中科发系列水稻新品种
黑龙江省有6400多万亩的水稻种植面积，是我国优质稻的重要产区。为了解决解决稻瘟病抗性差、抗倒伏能力弱、稻谷出米率低、优质和口感好但与高产等性状难以兼顾等实际问题，李家洋研究员、刘贵富研究员与黑龙江农科院的专家联合攻关，将长粒优质的南方长粒粳、高抗稻瘟病的抗病品种以及高产抗倒伏的东北地方品种中的优异等位基因聚合到一起。
经过近10年的研发，2017年中科发系列的第一个品种“中科804”通过国家审定，2018年在我国优质稻核心产区黑龙江五常市开展3000亩示范并获成功，在产量、品质、抗稻瘟病以及抗倒伏等农艺性状方面均表现突出，反响很大。随后“中科发5号”和“中科发6号”也于2018年通过国家审定，深受农民与消费者喜爱，第一年就推广超过40万亩。
高产优质耐逆水稻新品种“中科发5号”在吉林省示范(图片来源：作者提供)
纤长饱满、晶莹透亮、软糯可口的“中科发5号”稻米(图片来源：作者提供)
中科发系列水稻新品种成功聚合了高产、优质、抗病、抗倒、长粒、高出米率等多种优势性状，是利用水稻高产优质的理论基础与品种设计理念所育成的标志性品种，实现了高产优质多抗水稻的高效培育，入选“2018年中国十大科技进展新闻”。
这些品种针对不同地区的特点，解决了水稻生产中的实际问题，体现出分子设计育种的巨大优势，即目标性强、效率高、用时短，能实现复杂农艺性状的协同改良。分子设计育种理念和技术路线的推广，对提高作物育种效率、提升新品种的科技含量具有重要意义。
未来，稻米也能定制
分子设计育种能高效精准地培育适合消费者需要的品种，如好吃、好看、营养、安全的品种，能够适应不同人群的健康需求和消费习惯。比如，糖尿病人可以吃的大米。
糖尿病人食用大米后，淀粉会在体内快速降解，让血糖迅速上升。如果能摄入高抗性淀粉含量的大米，对于预防和控制Ⅱ型糖尿是非常有益的。抗性淀粉是一类在小肠中不被吸收的淀粉及其降解产物，具有较低的血糖生成指数，可以延缓餐后血糖的剧烈增加并降低胰岛素的分泌。按照国际标准，每天吃20克抗性淀粉对糖尿病人非常有利，血糖比较平缓。李家洋院士团队与合作者通过解析水稻抗性淀粉合成的分子机理，克隆了决定高抗性淀粉含量的关键基因，正在设计研发具有特殊保健功能的水稻品种。
相信在不远的将来，科学界和育种家能够合作培育出定制化、智能型作物，实现对养分的高效利用、对病虫害以及周围环境的智能型反应，稻米富含特殊营养，进入作物新品种的个性化定制时代。
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