1月8日，一個(gè)和“吃”有關(guān)的科學(xué)研究登上了我國科技的最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，項(xiàng)目全稱聽上去略有些拗口：“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”（以下簡(jiǎn)稱分子設(shè)計(jì)育種），但研究的問題卻很接地氣，即破解糧食生產(chǎn)“優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)，高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)”矛盾難題，說白了不僅讓老百姓吃飽，而且要吃好。

很長一段時(shí)間以來，能夠走進(jìn)公眾視野的農(nóng)業(yè)新聞，往往是諸如“水稻產(chǎn)量打破世界紀(jì)錄”“玉米產(chǎn)量再創(chuàng)歷史新高”等產(chǎn)量突破的報(bào)道。但在現(xiàn)今這個(gè)糧食匱乏問題不再突出的時(shí)代，“量上去了，品質(zhì)如何”的追問，被越來越多地拋出來。

當(dāng)天，由中科院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋領(lǐng)銜的分子設(shè)計(jì)育種項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)摘得了2017年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，這是中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)。

我國著名遺傳學(xué)家、2006年度國家最高科技獎(jiǎng)獲得者李振聲院士是該項(xiàng)目的推薦人，他說，如果用一句話來評(píng)價(jià)這個(gè)項(xiàng)目，即“引發(fā)一場(chǎng)新綠色革命的開端！”

第三次綠色革命之問：不僅要吃飽而且要吃好

說起綠色革命，人們最為熟悉的莫過于雜交水稻，我國以袁隆平院士為首的科研團(tuán)隊(duì)完成的雜交水稻技術(shù)突破，就是第二次綠色革命的代表。

而第一次綠色革命，則要追溯到上世紀(jì)60年代，由美國植物病理學(xué)家諾曼·E·勃?jiǎng)诟耖_創(chuàng)。李振聲將這次革命的成果簡(jiǎn)稱為“矮化育種”。

20年前，李振聲在時(shí)任中國農(nóng)業(yè)部部長何康的一次家宴上見到了勃?jiǎng)诟瘢为?dú)向他請(qǐng)教了綠色革命的起因。

勃?jiǎng)诟窀嬖V李振聲，他在許多國家調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著化肥的大量使用，小麥等作物產(chǎn)量得到了暫時(shí)提高，但因?yàn)橹仓晏?，出現(xiàn)了倒伏現(xiàn)象，有時(shí)反而造成減產(chǎn)，后來問題越來越突出，甚至嚴(yán)重影響了產(chǎn)量的提高。

于是，勃?jiǎng)诟褡罱K育出豐產(chǎn)、抗銹小麥品種。該品種推廣后，墨西哥從原本的小麥進(jìn)口國，一躍成為位居世界第二的小麥出口國，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)還引發(fā)了一次世界性的小麥增產(chǎn)。勃?jiǎng)诟癖救艘虼吮蛔u(yù)為“綠色革命之父”，還一度被稱作“拯救世界饑餓的第一人”，并于1970年獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)。

這是第一次綠色革命。第二次就是袁隆平運(yùn)用超級(jí)雜交稻的技術(shù)成果，“用3畝地，可以產(chǎn)出4畝地糧食”，大幅提高我國水稻單產(chǎn)和總產(chǎn)量。袁隆平因此被海內(nèi)外譽(yù)為“雜交水稻之父”。

不過，隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)糧食的“質(zhì)量”提出了新的要求，“不僅要吃飽，而且要吃好，還要吃健康的食品”。以水稻為例，高產(chǎn)的往往品質(zhì)差、抗病蟲害能力低，但那些性狀好的水稻，卻又常常不高產(chǎn)。中科院遺傳發(fā)育所所長楊維才說，尤其在目前的高產(chǎn)栽培條件下，個(gè)體和群體的矛盾、產(chǎn)量和生育期的矛盾更加突出。

第三次綠色革命應(yīng)運(yùn)而生。而李振聲眼中第三次綠色革命的開端，就是李家洋團(tuán)隊(duì)的“分子設(shè)計(jì)育種”。

高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)：魚與熊掌難以兼得？

從宏觀上來看，科學(xué)家要找到水稻質(zhì)與量的“完美協(xié)調(diào)點(diǎn)”；而從微觀層面來看，科學(xué)家就是要找到?jīng)Q定這個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)的“基因”或者說“分子”。

李家洋說，不同品種的水稻有不同的特性，有的抗倒伏，有的抗蟲，有的更高產(chǎn)……這些特性通常由某些基因決定。可到底是誰在某一方面擁有與眾不同的優(yōu)勢(shì)，人類此前并不清楚。因此，想要調(diào)和水稻“質(zhì)”與“量”的矛盾也并非易事。

“如果某一個(gè)基因?qū)?yīng)一個(gè)性狀，上萬個(gè)基因組合在一起加以變化，對(duì)應(yīng)的性狀網(wǎng)絡(luò)，可能就是一個(gè)天文數(shù)字！”李家洋說，要真搞清楚基因和性狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系十分困難。

這也是擺在世界育種科學(xué)家面前的一道難題，題目并不難描述，決定水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素也十分清楚，前者包括“穗數(shù)”“每穗粒數(shù)”“粒重”，后者包括“黏稠度”“直鏈淀粉含量”以及“糊化溫度”。

不過，哪些分子決定“穗數(shù)”，哪些分子決定“每穗粒數(shù)”，哪些分子決定“粒重”，又有哪些分子決定“黏稠度”等等，就不得而知了。這就是李家洋團(tuán)隊(duì)要破解的“基因密碼”。

這當(dāng)然離不開基因組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)等新興學(xué)科近年來的快速發(fā)展。李振聲談起這個(gè)項(xiàng)目也反復(fù)提到，李家洋團(tuán)隊(duì)能夠取得這方面的突破，和該團(tuán)隊(duì)在基因測(cè)序、基因定位、基因克隆、基因功能研究等方面的長期豐富積累不無關(guān)系。

如今獲獎(jiǎng)的這個(gè)研究項(xiàng)目其實(shí)包含多個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這其中最讓李家洋得意的，還是找到了“關(guān)鍵的基因”——IPA1，這是調(diào)控理想株型的分子模塊，有了它就能讓水稻的莖稈更粗壯，穗子大、谷粒大，這些是高產(chǎn)重要的性狀。

接著，他的團(tuán)隊(duì)又找到了Wx和ALK基因，前者主要調(diào)控“直鏈淀粉含量”和“黏稠度”，后者則主要調(diào)控“糊化溫度”，而其他一些基因則在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起微效的調(diào)節(jié)作用。

李家洋團(tuán)隊(duì)也因?yàn)檫@些發(fā)現(xiàn)，不斷走向科學(xué)舞臺(tái)的中央——

團(tuán)隊(duì)主要研究成果發(fā)表在Nature、Nature Genetics、PNAS、 Plant Cell等國際知名學(xué)術(shù)刊物，發(fā)表論文120多篇，累計(jì)影響因子大于1000，被SCI引用8000余次，其中8篇代表性論文引用超過2300次。

團(tuán)隊(duì)的代表性研究成果“揭示水稻理想株型形成的分子調(diào)控機(jī)制”和“闡明獨(dú)腳金內(nèi)酯調(diào)控水稻分蘗和株型的信號(hào)途徑”分別入選“2010年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”和2014年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

分子設(shè)計(jì)育種：搭積木一樣“組裝”優(yōu)勢(shì)基因

這種分子育種技術(shù)和傳統(tǒng)育種技術(shù)有很大不同，李家洋打個(gè)了比方——

常規(guī)育種好比在相親時(shí)“海選”：“科學(xué)家不知道哪個(gè)基因控制哪個(gè)性狀，只能靠經(jīng)驗(yàn)，通過最后的結(jié)果說明哪些基因組合是好的，這個(gè)過程非常漫長?！?/p>

如今的分子育種則是從經(jīng)過層層篩選之后的優(yōu)秀“對(duì)象”里選擇：科學(xué)家知道“什么基因在控制什么性狀”后，就像搭積木一樣，將超高產(chǎn)、品質(zhì)改良和抗性提升等優(yōu)勢(shì)基因“組裝”起來，雜交出一種前所未見的超級(jí)水稻。

李家洋團(tuán)隊(duì)成員之一、中科院遺傳發(fā)育所副研究員劉貴富說，常規(guī)育種需要7至8年才能選出育種材料，分子育種技術(shù)能將其縮短到3至4年甚至更短，實(shí)現(xiàn)了快速、定向、高效培育系統(tǒng)改良的作物新品種，實(shí)現(xiàn)“精確育種”。

這就是科學(xué)進(jìn)步的結(jié)果。

多年前，李家洋團(tuán)隊(duì)在江蘇沭陽縣青伊湖農(nóng)場(chǎng)培養(yǎng)了水稻新品種——嘉優(yōu)中科1號(hào)，在剛剛過去的2017年，嘉優(yōu)中科1號(hào)實(shí)收測(cè)產(chǎn)的結(jié)果為平均畝產(chǎn)911.3公斤，比當(dāng)?shù)刂髟云贩N畝產(chǎn)增產(chǎn)200公斤以上。

這意味著，李家洋團(tuán)隊(duì)已經(jīng)突破傳統(tǒng)育種技術(shù)，走出了分子育種的新路。加上早期尋找調(diào)控分子的研究時(shí)間，李家洋團(tuán)隊(duì)花了近20年，才培育出“既有南方秈稻產(chǎn)量，又有北方粳稻品質(zhì)”的新品種雜交水稻。

長江中下游地區(qū)自古是中國水稻的主產(chǎn)區(qū)之一，水稻的馴化和傳播正起源于此地。如今來看，水稻的未來可能也將被中國人率先改寫。

按照李家洋的說法，接下來他的團(tuán)隊(duì)還將朝著“量身定制”方向努力，比如，針對(duì)糖尿病人等特殊人群，可以找到那個(gè)“關(guān)鍵分子”，然后設(shè)計(jì)研制高抗性淀粉的水稻。

他還希望賦予米飯從“主食”跨界“營養(yǎng)品”的雙重身份，這就需要研發(fā)出鋅、鐵、葉酸等重要營養(yǎng)元素含量高的水稻新品種。再往后，就要看人類對(duì)“吃”還有啥新要求了。