破解水稻高产优质“密码”——记国家自然科学奖一等奖“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”

一粒种子可以改变世界，然而如何才能“多快好省”地培育出高产又优质的“黄金”种子？

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋课题组、中国科学院上海生命科学研究院韩斌课题组和中国农业科学院水稻研究所钱前课题组经过了20多年的密切合作、协同创新，给出了答案——这粒种子可以在“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”项目中找到。

2018年伊始，这一李家洋团队完成的项目被授予2017年度国家自然科学奖一等奖。

育种学家站在农业科技的最前沿。在水稻领域，为了突破产量瓶颈，育种学家提出了理想株型的概念。

“对水稻来说，高产往往带来品质差、抗病虫害能力低的问题，但有些性状好的水稻却常常不会太高产。‘籼稻的产量，粳稻的品质’，即培育出分蘖数适宜、茎秆强壮、穗大粒多的高产理想株型品种，同时又具有优良的食用品质,这就是我们团队梦寐以求的‘理想型’水稻。”李家洋说。

而传统的杂交育种方式周期长，育成一个新品种往往需要10年以上，并面临着品种间遗传多样性狭窄、效率低等问题。遗传学、分子生物学和基因组学的发展为育种学家用“魔术之手”变出“理想型”水稻带来了希望。

在20年间，李家洋团队采用了一种和转基因技术不相同的育种路线——通过品种设计进行多基因复杂性状的定向改良，达到高产优质的目标。

“转基因技术是将外源基因转到待改良的目标材料中，而品种设计育种中所需要的所有基因都是水稻基因，通过分子技术手段进行检测，来决定哪些基因是我们需要的、哪些基因是不需要的。”韩斌说，这就像搭积木，他们有针对性地选择需要的“积木”，更快更好地搭建出需要的“建筑”。

具体来看，李家洋团队育种路线是这样的：高效发掘利用水稻优异种质资源，搞清楚水稻产量和品质等复杂农艺性状形成的分子基础与调控网络、继而进行水稻分子设计育种，在此基础上建立了分子设计育种的理论与技术体系。

这些理论和技术体系让团队走在了世界育种前列，并找到了一个理想株型形成的关键基因——IPA1。这项成果在水稻株型研究领域中引起震动，入选“2010年度中国科学十大进展”。

“此后，我们挖掘了多个有应用价值的IPA1优异等位变异，利用分子标记辅助选择等方法，将理想株型基因导入优质籼稻和粳稻骨干亲本，向国内水稻育种单位发放理想株型种质2000余份次。”钱前说。

梦想照进了现实。团队实现了水稻质与量的“完美协调”后，终于育成了“理想型”水稻——“嘉优中科”系列水稻新品种。

这些品种具有株高适宜、分蘖适中、无效分蘖很少、茎秆粗壮、根系发达等明显的理想株型特征，且熟期早，抗逆性强，增产效果显著，万亩示范平均产量比当地主栽品种增产20%以上，且适合机械化或直播等高效、轻简的栽培方式。这既是水稻超高产和抗性提升的完美结合，又实现了水稻种植区域北移，在长江中下游地区有着广阔的推广前景。

“与发达国家相比，我国农业育种技术还有明显差距。但是，我国在现代育种理论上已经走在世界前列，未来我们将继续致力于育种实践，要把这种先进育种理念变成更多产品，保障我国粮食安全。”李家洋说。