用一粒种子改变世界——记2017年度国家自然科学奖一等奖获得者李家洋团队

20世纪60年代，科学家实现了矮化育种，将水稻产量提高了2到3成，这便是广为人知的第一次“绿色革命”；20世纪70年代，以袁隆平为代表的科学家实现了水稻杂交育种，使我国南方、东南亚等主要水稻生产区的产量有了第二次飞跃，做出了历史性的贡献。

而李家洋团队带给中国和世界的，则是一种更有想象力的画面：将来，育种就像组装电脑一样方便，人们需要什么样的水稻，科学家就可以把相关的水稻基因组合在一起，培育出满足需要的种子。

国家最高科学技术奖获得者、小麦远缘杂交育种奠基人李振声在20多年前向诺贝尔和平奖得主诺曼·博洛格发问：“您怎么会发起‘绿色革命’？”

“绿色革命”指促进粮食增产的技术改革活动。20世纪中期，以博洛格为首的小麦育种专家培育出30多个矮秆或半矮秆的具有高产、抗病等突出优点的小麦品种。墨西哥推广矮秆小麦以后，一举从粮食进口国变为出口国。

“植株矮、穗数多、产量高，新品种受到农民的欢迎。”博洛格当时告诉李振声，他看到前来参观的农民迫不及待地掐穗子装在衣兜里，心里暗暗高兴。

中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋及其合作者正在品尝这种喜悦。1月8日，他们的项目“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”获2017年度国家自然科学奖一等奖。作为项目推荐人的李振声评价：“这个项目会引发一场新的‘绿色革命’。”

小水稻大难题

“八月剥枣，十月获稻”，正如《诗经》中所描绘的那样，中国种植水稻的历史源远流长。作为世界上最重要的粮食作物之一，水稻在保障我国粮食安全的重大战略需求中具有举足轻重的地位。

大米养活了世界一半以上的人口，但人类对小小水稻的认识却并不能说了如指掌。

在水稻等禾谷类作物育种中，由于产量与品质性状形成的复杂性，其调控机理尚不清楚，通过传统育种方法进行改良，也存在周期长、效率低等问题。尤其是近20年以来，以中国长江中下游地区为代表的水稻产量进入了缓慢增长期。主要表现为产量与早熟、品质、抗病虫和抗逆性等其他优良性状之间的矛盾，尤其在目前的高产栽培条件下，个体和群体的矛盾及产量和生育期的矛盾更加突出。

▲李家洋院士（左）在江苏省沭阳县青伊湖农场查看水稻生长情况（新华社金立旺摄）

如何才能“多快好省”地培育出一粒好种子？这是许多年来农业科学家们一直在追寻的答案，他们希望粮食不仅能够高产，而且能够质优，培育出高产优质型超级水稻新品种，让消费者在吃饱的同时能够吃好，吃得安全、绿色。

科学家们一直在思索：能不能找到水稻基因和性状的对应关系，按照需求的不同，设计出不同的水稻新品种？

李家洋领衔的团队经过十多年的努力，给出了答案——分子设计育种。

让稻米既好看又好吃

通俗来说，李家洋团队主要是解决了稻米的两个“好”：既“好看”又“好吃”。前者是指培育出分蘖数适宜、茎秆强壮、穗大粒多的高产理想株型品种，后者是指具有优良的食用品质。

研究团队用了十余年发掘出决定水稻是否“好看”的关键基因。“水稻有数万个基因，我们从中找到了控制理想株型的主效基因IPA1。”项目主要完成人、中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所所长韩斌说，IPA1在田间的表现平平，“但把IPA1优异等位基因导入水稻主栽品种，可以重塑理想株型性状，使产量显著提高”。

研究团队不仅给水稻“整形”，向国内水稻育种单位发放2000余份次理想株型种质，还育成“嘉优中科”系列水稻新品种，连续两年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栽培方式。

科学上衡量水稻是否“好吃”则是依据胶稠度、直链淀粉含量和糊化温度。李家洋团队基于这三个蒸煮品质的理化指标，根据18个与淀粉合成相关基因的遗传变异，开发出51组分子标记，为分子标记辅助选育并改良稻米品质提供了工具。

项目主要完成人、中国农业科学院中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室主任钱前说，他们把粳稻中淀粉合成相关基因的优良等位变异导入高产籼稻品种，为解决水稻产量与品质相互制约的难题提供切实可行的策略。

需指出的是，上述做法不同于转基因技术。李家洋解释，分子设计育种不存在基因编辑，也没有引入外来基因，而是从水稻天然基因里进行筛选的。

事实上，研究团队的第三项突出贡献正是高效挖掘与利用水稻优异种质资源。一方面，他们首创了全新的基因分型算法，构建出高密度的水稻单倍体型图谱。“筛选出千余份遗传多样性丰富的代表性水稻种质资源和地方品种材料，绘制出‘解剖图’，供育种学家不断组合出新品种。”韩斌说。

另一方面，他们阐明了水稻的起源及驯化过程，构建出水稻全基因组遗传变异的精细图谱。李家洋兴奋地介绍，“家谱”显示粳稻类型的栽培稻首先在中国南方珠江流域被驯化出来，人们在此基础上再驯化出籼稻品种。

据统计，这个项目的研究成果已在国际权威学术刊物上发表论文120多篇，被《科学引文索引》（SCI）引用8000余次。评论称，它为水稻及其他作物分子设计育种提供了重要指导与示范作用。

科学家们并不满足于此，一组组数据压在他们的心头。中国以水稻为主粮，但粮食自给率下降到85%，2010年以后更是由大米净出口国转为大米净进口国，国家粮食安全面临的挑战日益严峻。

李家洋说，2017年金秋时节，名为“嘉优中科1号”的超级水稻在江苏省沭阳县迎来丰收，测产结果为平均亩产达到900公斤以上，颇受当地种粮大户的青睐，“只有农民愿意种，这样的新品种才有意义”。