中国科学家用优良基因"模块"组装出超级水稻

10月31日,在江苏省沭阳县青伊湖农场,名为“嘉优中科1号”的超级水稻迎来了丰收。研究团队成员、中国科学院遗传与发育生物研究所副研究员刘贵富正紧张地指挥着稻田的收割和测产。

10月31日,在江苏省沭阳县青伊湖农场,中科院遗传与发育生物学研究所李家洋院士(左)、刘贵富副研究员(右)等在查看嘉优中科1号水稻生长情况。 新华社记者 金立旺 摄

他希望亩产达到850公斤,比当地栽培的主要稻种产量高30%以上。在自然种植的条件下,达到这一亩产目标是巨大的挑战。测产结果让他喜出望外:不管是传统手插秧,还是更节约人力的直接播种,平均亩产都达到了900公斤以上。

目前,“嘉优中科1号”正在各地大面积推广。该研究课题负责人、中科院院士李家洋说,这一突破性技术育成的新稻种具有引领作用,对指导未来作物遗传改良、保障国家粮食安全具有重大战略意义。

“最关键”的基因

按当地农时,“嘉优中科1号”算一季中稻,在此地试种颇有深意:虽然这种新水稻适宜在长江中下游地区种植,但科学家特意将种植区域北移,以验证它在水稻生长期较短的地区,其优点能否充分发挥。

结果令人满意:在寒流到来之前,它已和现有稻种相继成熟。看起来,它们株高适中,叶片挺拔,稻籽已然金黄,但茎秆还是青色,用行家的话说,这样能“抗早衰、抗倒伏”。

“分子模块设计”神奇在何处?李家洋说,在“分子模块设计”育种技术下,培育水稻就像“设计一个工业产品”。

10月31日,在江苏省沭阳县青伊湖农场,专家和工作人员正在实收测产嘉优中科1号水稻。 新华社记者 金立旺 摄

刘贵富说,该方法的科学基础是多数农作物的经济性状,比如高产、稳产、优质、高效等,都受到多个基因的调控,并具有“模块化”特性。科学家通过解析这些基因表达调控机制、彼此作用的模式,可以将它们统筹“设计”在一起,让杂交、选种过程变得有目标、可预见,育种效率获得“革命性”的提高。

“最让我高兴的是,我们找到了最关键基因。”李家洋说,这种名为理想株型的分子模块(IPA1-2D)可以让株型更优质。“茎秆更粗壮,穗子大、谷粒大,这是高产最重要的性状。”

“跟转基因无关”

当前,一个基因(技术)就意味着一个产业。在未来的农业生物改良中,相关基因和关键技术的突破将带来难以估量的经济效益。

近年来,欧洲、美国、澳大利亚等国家纷纷出台国家级研究计划,在农业生物技术领域展开竞争。

中国政府高度重视农业生物技术发展。“嘉优中科”系列新品种背后,就是中国科学院13项战略性先导科技专项(A类)之一“分子模块设计育种创新体系”,其定位是“解决关系国家长远发展的重大科技问题”。

10月31日,江苏省沭阳县青伊湖农场嘉优中科1号水稻示范田。新华社记者 金立旺 摄

李家洋说,“分子模块设计”育种技术与转基因无关。因为,它不存在基因剪辑,也没有引入外来基因等,而是在水稻天然基因里筛选“优质”基因,然后利用“分子模块设计”育种技术,极大提高了育种精准度和效率。

刘贵富举例说,在常规育种里,杂交后的新稻株要等到在田里生长后,科学家才能用肉眼“海选”出想要的性状植株。但是现在,哪怕还是青青的小苗,只要做一次基因检测,就能“锁定”想要的那一棵。

“此外,转基因技术主要是针对少数单基因控制的性状改良,难以培育针对复杂性状改良的突破性新品种。”刘贵富说,“因此,新一代育种理论和技术体系是现代种业发展的迫切需求。”

育种技术“升级换代”

长江中下游地区自古是中国水稻的主产区之一。考古证实,这里人们稻作的历史可以追溯到1万年前,水稻的驯化和传播正起源于此地。如今,水稻的未来可能也将被中国人率先改写。

李家洋说,“分子模块设计”育种是世界作物遗传改良领域最先进的技术,这意味着“中国科学家已在现代育种理论研究方面跻身世界前列”。

20年来,长江中下游主产区在高产栽培的条件下,水稻产量进入了一个缓慢增长期,存在着品质较差、抗病性弱、主栽种品种退化严重等问题,由此也带来了抗生素和农药滥用等一系列问题。

刘贵富从事了30多年的田间育种工作。在他看来,产量和早熟、优质、抗病虫等优良性状之间一直存在着很大矛盾。而“分子模块设计”育种可以精确改良缺点,聚合多个优点,是育种技术的一次“升级换代”。

10月31日,在江苏省沭阳县青伊湖农场,专家和工作人员正在实收测产嘉优中科1号水稻。新华社记者 金立旺 摄

那么,是否意味着传统育种技术将要被替代了呢?刘贵富说,“分子模块设计”育种技术目前还需要与传统育种方法相结合,“比如在亲本材料间杂交、后期材料表型的鉴定等环节,两者是共通的。”

在试种的过程中,当地的种粮大户发现,与当地主栽稻种相比,“嘉优中科1号”的生长周期稍有缩短或相仿,产量明显增加,但化肥和农药总量却没有增加。

这是最让刘贵富高兴的事:“任何育种技术要保障粮食安全和农业可持续发展,归根到底离不开农民。只有农民愿意种、让农民获得很好的经济效益,这样的新品种才有意义。”