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中科院遺傳發(fā)育所李家洋院士研究組與嘉興市農(nóng)業(yè)科學院李金軍研究組合作運用的“分子模塊設計”育種技術，克服了水稻育種周期長、偶然性大和育種效率低下等缺點，可以對當前應用的品種缺點進行精確改良，容易實現(xiàn)多個優(yōu)良基因(性狀)的聚合。（新華社記者 金立旺 攝）
過去十多年中，曾多次伴隨中國科學家登上國際頂級學術期刊的水稻，又在剛剛揭曉的2017年度國家自然科學獎一等獎的榜單上亮相。猶如稻穗需要三季才能成熟，這項頗有故事的重量級研究，前后延續(xù)了近20年。
瞄準保障國家糧食安全這一重大需求，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家洋、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所研究員韓斌和中國農(nóng)業(yè)科學院中國水稻研究所研究員錢前，帶領各自科研團隊密切合作，圍繞培育出“高產(chǎn)又好吃”的水稻，深入探究分子機理、繪制基因圖譜，使中國水稻研究從參與全球重大科研計劃起步，逐步走到了引領世界作物科學研究的前沿，中國的植物生物學研究由此在全球確立了卓越地位，被稱為“中國復興”。
鍥而不舍探究“理想株型”
水稻是世界三大糧食作物之一，全球水稻專家都在研究如何提高其產(chǎn)量。莖稈偏矮、粗壯，分蘗數(shù)量合理，既適合稻田密植，又能適當通風，有利于光合作用，而且每個分蘗上都能結(jié)很多穗兒，穗粒大而飽滿———這是科學家心目中水稻的理想株型。如果現(xiàn)實中可以有水稻長成這樣，產(chǎn)量有望比現(xiàn)在的高產(chǎn)水稻品種再提高約10%。
可就如翩若驚鴻的洛神只存于詩賦中，現(xiàn)實中要尋找這樣一株“理想水稻”，談何容易？ 然而，中國科學院院士李家洋卻在無意中發(fā)現(xiàn)了這樣一株水稻材料。他如獲至寶地將這株水稻帶回實驗室，一邊留種，一邊用分子生物學手段，尋找決定其“十全十美”外型的基因。本以為，這會牽涉到很多個基因，可沒想到，李家洋團隊最后發(fā)現(xiàn)，只靠一個控制植物激素獨腳金內(nèi)酯的基因IPA1，就搞定了這所有性狀。
是李家洋的運氣特別好嗎？ 面對記者半開玩笑的提問，中國科學院院士韓斌說，好運從來不會無緣無故降臨到一個人身上。在水稻株型的研究上，李家洋在世界上也算數(shù)一數(shù)二。他花費大量精力，把世界上所有水稻株型幾乎都研究了個遍。即使在擔任中國科學院副院長、農(nóng)業(yè)部副部長期間，他也堅持下班就去實驗室———十幾年如一日，不曾松懈。
“理想株型”的模樣，在他腦海中縈繞了何止千百遍。所以，才會有“眾里尋他千百度，驀然回首”的驚喜“相遇”。
培育優(yōu)質(zhì)水稻可“按圖索驥”
這個一等獎中的“上海貢獻”來自韓斌院士的團隊，他們繪制的水稻基因圖譜，為育種專家提供了一份“基因指南”。簡單來說，過去育種找材料，需要得到種子才能知道飯粒是否軟糯清香；而現(xiàn)在只需要取下葉片，測一下基因，就可以對品質(zhì)好壞判斷個八九不離十。如果說，傳統(tǒng)水稻育種好比盲人摸象，那現(xiàn)在就如按圖索驥。
繪制出這樣一份基因圖譜，韓斌耗費了20年的苦功。早在1998年，韓斌課題組就開始參與國際水稻基因組計劃的測序工作，完成了水稻4號染色體的精確測序。這項工作被英國《自然》雜志譽為“里程碑式的事件”。
“接下來，我們做了幾百種野生水稻的基因測序，想從中挖掘更多的優(yōu)良基因，使它們更健壯、高產(chǎn)。”韓斌說，沒想到的是，通過基因比較，他們竟無意中梳理出了水稻馴化源頭的線索，由此排出了一幅較為完整的“水稻家譜”：栽培水稻與廣西珠江流域的野生稻種最為相近，在8000多年的馴化歷史中，中國的粳稻先被馴化，傳入東南亞與當?shù)匾吧倦s交產(chǎn)生秈稻后，又再次“僑歸”。
最終，韓斌要攻克的是植物遺傳學研究的“圣杯”———雜種優(yōu)勢遺傳機制。他的學生黃學輝用大數(shù)據(jù)方法，對1495份雜交稻的上萬個親本后代植株進行基因組測序，在1%的基因差異中，找到了影響水稻品質(zhì)的不同基因。比如，影響口味的指標有淀粉長鏈支鏈多少、糊化溫度、膠稠度，只要水稻品種包含相應基因，其口感就可推斷出來。
說來輕松，可要得到這份圖譜，不僅需要大量基因測序的數(shù)據(jù)，還需要田間實際測量的水稻生長數(shù)據(jù)。在海南三亞的稻田間，科研人員從稻種萌發(fā)的那一刻，就開始記錄萌發(fā)時間，測量秧苗高度，一發(fā)現(xiàn)蟲害就除蟲，結(jié)實時還要防鳥偷吃……韓斌說，這比農(nóng)民種地還要精細、辛苦幾百倍，因為數(shù)據(jù)容不得半點差池，不然就要再等一季。
深入研究使栽培稻“量質(zhì)雙收”
李家洋、韓斌、錢前三位科學家十幾年密切合作，從分子機理、基因組的基礎研究入手，為培育“高產(chǎn)又好吃”的水稻品種鋪平了道路。如今，在這些理論成果的指導下，嘉優(yōu)中科系列、廣兩優(yōu)7203等品種已在培育之中。
與此同時，他們也將中國的作物研究帶到了世界前沿。去年2月，國際著名學術期刊《自然·植物》雜志發(fā)表編輯部評論稱，中國的植物生物學研究已經(jīng)確立了在全球的卓越地位，特別是水稻生物學、遺傳學和群體基因組學研究已經(jīng)引領世界水稻乃至作物科學研究，可謂“中國的復興”。
栽培水稻雖然符合人類對糧食的需求，但在人工選擇中，它丟失了很多在自然界頑強生存的基因，一旦發(fā)生氣候變化或自然災害，很難抵御環(huán)境變化。韓斌說，接下來，他們還將深入研究，使栽培稻在全球變暖的大背景下，能夠具備穩(wěn)定高產(chǎn)、保持優(yōu)質(zhì)的能力。（記者 許琦敏）
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