“理想水稻”助力植物生物学“中国复兴”

中科院遗传发育所李家洋院士研究组与嘉兴市农业科学院李金军研究组合作运用的“分子模块设计”育种技术，克服了水稻育种周期长、偶然性大和育种效率低下等缺点，可以对当前应用的品种缺点进行精确改良，容易实现多个优良基因(性状)的聚合。新华社记者金立旺摄

  ■本报首席记者　许琦敏

过去十多年中，曾多次伴随中国科学家登上国际顶级学术期刊的水稻，又在刚刚揭晓的2017年度国家自然科学奖一等奖的榜单上亮相。犹如稻穗需要三季才能成熟，这项颇有故事的重量级研究，前后延续了近20年。

瞄准保障国家粮食安全这一重大需求，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋、中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员韩斌和中国农业科学院中国水稻研究所研究员钱前，带领各自科研团队密切合作，围绕培育出“高产又好吃”的水稻，深入探究分子机理、绘制基因图谱，使中国水稻研究从参与全球重大科研计划起步，逐步走到了引领世界作物科学研究的前沿，中国的植物生物学研究由此在全球确立了卓越地位，被称为“中国复兴”。

锲而不舍探究“理想株型”

水稻是世界三大粮食作物之一，全球水稻专家都在研究如何提高其产量。茎秆偏矮、粗壮，分蘖数量合理，既适合稻田密植，又能适当通风，有利于光合作用，而且每个分蘖上都能结很多穗儿，穗粒大而饱满———这是科学家心目中水稻的理想株型。如果现实中可以有水稻长成这样，产量有望比现在的高产水稻品种再提高约10%。

可就如翩若惊鸿的洛神只存于诗赋中，现实中要寻找这样一株“理想水稻”，谈何容易？　然而，中国科学院院士李家洋却在无意中发现了这样一株水稻材料。他如获至宝地将这株水稻带回实验室，一边留种，一边用分子生物学手段，寻找决定其“十全十美”外型的基因。本以为，这会牵涉到很多个基因，可没想到，李家洋团队最后发现，只靠一个控制植物激素独脚金内酯的基因IPA1，就搞定了这所有性状。

是李家洋的运气特别好吗？　面对记者半开玩笑的提问，中国科学院院士韩斌说，好运从来不会无缘无故降临到一个人身上。在水稻株型的研究上，李家洋在世界上也算数一数二。他花费大量精力，把世界上所有水稻株型几乎都研究了个遍。即使在担任中国科学院副院长、农业部副部长期间，他也坚持下班就去实验室———十几年如一日，不曾松懈。

“理想株型”的模样，在他脑海中萦绕了何止千百遍。所以，才会有“众里寻他千百度，蓦然回首”的惊喜“相遇”。

培育优质水稻可“按图索骥”

这个一等奖中的“上海贡献”来自韩斌院士的团队，他们绘制的水稻基因图谱，为育种专家提供了一份“基因指南”。简单来说，过去育种找材料，需要得到种子才能知道饭粒是否软糯清香；而现在只需要取下叶片，测一下基因，就可以对品质好坏判断个八九不离十。如果说，传统水稻育种好比盲人摸象，那现在就如按图索骥。

绘制出这样一份基因图谱，韩斌耗费了20年的苦功。早在1998年，韩斌课题组就开始参与国际水稻基因组计划的测序工作，完成了水稻4号染色体的精确测序。这项工作被英国《自然》杂志誉为“里程碑式的事件”。

“接下来，我们做了几百种野生水稻的基因测序，想从中挖掘更多的优良基因，使它们更健壮、高产。”韩斌说，没想到的是，通过基因比较，他们竟无意中梳理出了水稻驯化源头的线索，由此排出了一幅较为完整的“水稻家谱”：栽培水稻与广西珠江流域的野生稻种最为相近，在8000多年的驯化历史中，中国的粳稻先被驯化，传入东南亚与当地野生稻杂交产生籼稻后，又再次“侨归”。

最终，韩斌要攻克的是植物遗传学研究的“圣杯”———杂种优势遗传机制。他的学生黄学辉用大数据方法，对1495份杂交稻的上万个亲本后代植株进行基因组测序，在1%的基因差异中，找到了影响水稻品质的不同基因。比如，影响口味的指标有淀粉长链支链多少、糊化温度、胶稠度，只要水稻品种包含相应基因，其口感就可推断出来。

说来轻松，可要得到这份图谱，不仅需要大量基因测序的数据，还需要田间实际测量的水稻生长数据。在海南三亚的稻田间，科研人员从稻种萌发的那一刻，就开始记录萌发时间，测量秧苗高度，一发现虫害就除虫，结实时还要防鸟偷吃……韩斌说，这比农民种地还要精细、辛苦几百倍，因为数据容不得半点差池，不然就要再等一季。

深入研究使栽培稻“量质双收”

李家洋、韩斌、钱前三位科学家十几年密切合作，从分子机理、基因组的基础研究入手，为培育“高产又好吃”的水稻品种铺平了道路。如今，在这些理论成果的指导下，嘉优中科系列、广两优7203等品种已在培育之中。

与此同时，他们也将中国的作物研究带到了世界前沿。去年2月，国际著名学术期刊《自然·植物》杂志发表编辑部评论称，中国的植物生物学研究已经确立了在全球的卓越地位，特别是水稻生物学、遗传学和群体基因组学研究已经引领世界水稻乃至作物科学研究，可谓“中国的复兴”。

栽培水稻虽然符合人类对粮食的需求，但在人工选择中，它丢失了很多在自然界顽强生存的基因，一旦发生气候变化或自然灾害，很难抵御环境变化。韩斌说，接下来，他们还将深入研究，使栽培稻在全球变暖的大背景下，能够具备稳定高产、保持优质的能力。