現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，盡管目前水稻育種材料聚集了大部分優(yōu)良性狀，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化完善。由于國家尚未對基因編輯改造建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前對農(nóng)作物的精準(zhǔn)設(shè)計還無法實現(xiàn)生產(chǎn)上的應(yīng)用。“這個改造不是轉(zhuǎn)基因，不涉及把水稻以外的基因搬進(jìn)去。”李家洋說，“有了標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)作物育種肯定又快、又好、又省事。”

       5月下旬，記者見到中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋的時候，他一如既往地忙碌。

       植物領(lǐng)域國際期刊《植物細(xì)胞》創(chuàng)刊30周年，李家洋應(yīng)邀對發(fā)表在該雜志的部分重要研究工作進(jìn)行評述，重點(diǎn)關(guān)注了水稻生育期、株高、分蘗數(shù)目、育性控制以及機(jī)械強(qiáng)度等產(chǎn)量相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀的分子機(jī)理，探討了這些先驅(qū)性研究工作對作物農(nóng)藝性狀解析以及作物設(shè)計育種改良的重要貢獻(xiàn)。他是受邀撰文的亞洲科學(xué)家。

       而另一方面，李家洋團(tuán)隊培育的“中科804”以及“中科發(fā)”系列水稻新品種將在東北擴(kuò)大種植面積至30萬畝。“非常令人振奮。”李家洋很自豪。他告訴《中國科學(xué)報》，這是因為去年“中科804”在黑龍江五常市進(jìn)行的3000畝示范中，表現(xiàn)出了高產(chǎn)、抗稻瘟病、抗倒伏等諸多優(yōu)良農(nóng)藝性狀，口感與外觀品質(zhì)也十分優(yōu)異。

       對于水稻而言，無論是科研還是產(chǎn)業(yè)，中國都已走到了世界前列。“‘日本大米比中國大米好’的說法已不成立，它們口感沒有任何差別，而且外觀上中國大米的色澤更透明、清亮。”李家洋說，“目前科學(xué)家們已經(jīng)基本把水稻重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳機(jī)制弄清楚了，現(xiàn)在你想要什么樣的水稻品種，只要把多個相關(guān)優(yōu)良基因聚合在一起，就能培育出你想要的。”

       21世紀(jì)的主要挑戰(zhàn)

       世界上近半數(shù)人口以大米作為主食。然而，隨著人口的不斷增加與耕地數(shù)量的減少，如何提高水稻產(chǎn)量成為農(nóng)業(yè)科學(xué)家面臨的一個主要挑戰(zhàn)。

       20世紀(jì)以矮化育種為標(biāo)志的“綠色革命”以及雜種優(yōu)勢利用技術(shù)的發(fā)展帶來水稻、小麥、玉米等作物產(chǎn)量的大幅度提高。進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們在理解作物重要農(nóng)藝性狀的分子機(jī)制方面取得了諸多突破性進(jìn)展，大大拓寬和加深了對水稻生長和發(fā)育的認(rèn)識，為通過分子育種技術(shù)促進(jìn)稻米產(chǎn)量的提高奠定了重要基礎(chǔ)。

       水稻分蘗數(shù)目、株高、分蘗角度、穗大小、穗粒數(shù)等株型特征是控制產(chǎn)量的核心要素，而抽穗期、耐逆性、病蟲害抗性以及機(jī)械強(qiáng)度等特征是作物適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)和自然環(huán)境獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。利用數(shù)量性狀基因位點(diǎn)（QTL）定位、圖位克隆以及全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，將控制這些水稻重要農(nóng)藝性狀的基因從自然變異或水稻突變體中鑒定出來，大大提高了對水稻復(fù)雜農(nóng)藝性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解。

       李家洋指出，近年來水稻研究的突破開辟了一個從分子水平探索作物復(fù)雜農(nóng)藝性狀調(diào)控機(jī)制的新時代。更重要的是，這些發(fā)現(xiàn)通過分子育種進(jìn)一步促進(jìn)了這些農(nóng)藝性狀的合理設(shè)計，幫助培育出高產(chǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗倒伏能力強(qiáng)、具有雜種優(yōu)勢的優(yōu)良作物品種。

       從“跟跑者”變?yōu)?ldquo;領(lǐng)跑者”

       回顧世界水稻研究20年的歷史，中國科學(xué)家必定是一支不可或缺的關(guān)鍵力量。

       事實上，從2002年12月，中國水稻基因組（秈稻）“精細(xì)圖”正式完成，標(biāo)志著我國水稻基因組研究正式進(jìn)入世界前列，到鑒定并克隆出控制水稻農(nóng)藝性狀的一系列關(guān)鍵基因，再到2017年2月，《自然—植物》發(fā)表評論用“中國的復(fù)興”稱贊中國水稻研究，中國的水稻研究已經(jīng)從“跟跑者”變?yōu)?ldquo;領(lǐng)跑者”。

       上世紀(jì)90年代回國開展水稻研究的李家洋等一批科研人員推動并見證了這一蛻變。

       這個過程并不輕松。李家洋記得，剛回國時，資金非常有限，條件也極其艱苦。如今黃金地段的奧運(yùn)村當(dāng)時是一大片農(nóng)場，研究所搭建了簡易板房，“夏熱冬冷，板房里的刺鼻味道讓人呆兩個小時就受不了了，但大家就這樣堅持了3年”。

       正是基于這種堅持，李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊率先在國內(nèi)建立了植物基因圖位克隆技術(shù)體系。“學(xué)界普遍認(rèn)為，該體系的建立極大推動了中國的水稻功能基因組研究。”李家洋課題組副研究員、上述綜述文章作者王冰告訴《中國科學(xué)報》，圖位克隆相當(dāng)于在成千上萬的水稻基因“地圖”上，通過分子標(biāo)記等方法，明確知道某個性狀是由某個基因控制的，然后分離鑒定該基因。

       2003年，李家洋團(tuán)隊利用圖位克隆技術(shù)，克隆了控制水稻分蘗起始的關(guān)鍵基因MOC1。“一個基因就能起這么大的作用，當(dāng)時大家都很震驚。”王冰說，同年，他們還成功利用該技術(shù)從水稻脆稈突變體中克隆了個控制水稻機(jī)械強(qiáng)度的BC1基因，為通過分子輔助育種改良作物細(xì)胞壁生物合成開辟了新途徑。

       隨后，中國在水稻功能基因方面的研究工作開始突飛猛進(jìn)，“國內(nèi)科學(xué)家利用該體系，把控制產(chǎn)量、抗病蟲、耐鹽堿、耐高低溫等基因克隆出來”。

       上世紀(jì)90年代末，中國作為主要參與國牽頭發(fā)起“國際水稻基因組測序計劃”，并率先完成了第4號染色體全長序列的精確測序。此后，科技部啟動的“功能基因組和生物芯片”重大科技專項在國際上率先獨(dú)立完成了秈稻9311全基因組測序和粳稻日本晴第4號染色體精確測序，建立了含27萬株獨(dú)立轉(zhuǎn)化子的水稻突變體庫和近4萬條cDNA文庫。

       “科學(xué)研究永無止境。隨著時間的推移，作物對環(huán)境的適應(yīng)、抗病抗蟲的要求、養(yǎng)分利用效能等都會變化，其基因功能研究也需要不斷更新。”李家洋說。

       精準(zhǔn)設(shè)計讓育種走向“定制”

       中國大米“高產(chǎn)不好吃”的魔咒已被打破。李家洋所說“想要什么樣的水稻便能培育出”的自信，來自水稻基礎(chǔ)研究者與育種家的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。

       從過去“一把尺子一桿秤，用牙咬，用眼瞪”的經(jīng)驗育種，到明確基因型表型效應(yīng)的分子設(shè)計育種，“未來，精準(zhǔn)設(shè)計育種是世界農(nóng)業(yè)育種發(fā)展的制高點(diǎn)，既要數(shù)量，還要質(zhì)量。”李家洋表示。精準(zhǔn)設(shè)計有兩個前提條件，一是明確控制性狀的基因及其調(diào)控機(jī)制；二是掌握基因操控的相關(guān)技術(shù)手段。

       中國地域遼闊，生態(tài)環(huán)境和消費(fèi)喜好差異大，所需水稻品種也各不相同，更需要“精準(zhǔn)設(shè)計”才能滿足需求。李家洋說，基因數(shù)量龐大且千變?nèi)f化，要找到最合適的基因組合方式，“比如，我們了解某個稻區(qū)的水稻品種、畝產(chǎn)、株高、粒數(shù)、口感等指標(biāo)，知道這些指標(biāo)由哪些基因控制，從而把這些基因聚合并培育新品種，這就是設(shè)計”。

       現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，盡管目前水稻育種材料聚集了大部分優(yōu)良性狀，但仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化完善。由于國家尚未對基因編輯改造建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前對農(nóng)作物的精準(zhǔn)設(shè)計還無法實現(xiàn)生產(chǎn)上的應(yīng)用。“這個改造不是轉(zhuǎn)基因，不涉及把水稻以外的基因搬進(jìn)去。”李家洋說，“有了標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)作物育種肯定又快、又好、又省事。”

       李家洋表示，未來，環(huán)境影響基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制將是研究的重點(diǎn)。“事實上，農(nóng)藝性狀是由基因與環(huán)境互作形成的，過去我們更多關(guān)注的是基因本身。”

       理想的水稻品種究竟是怎樣的？在李家洋看來，這個品種應(yīng)該具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、高抗等諸多優(yōu)良性狀，“它需要一個過程，逐漸成為市場上的主流品種，引領(lǐng)生產(chǎn)與消費(fèi)需求”。