廣告2008年9月，中國科學(xué)院院士李家洋接到黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（以下簡稱黑龍江農(nóng)科院）耕作栽培研究所所長來永才的電話，希望他幫助解決東北水稻生產(chǎn)面臨的一些難題。
幾天后，黑龍江農(nóng)科院院長韓貴清又打來電話，邀請李家洋到東北稻區(qū)考察。
“東北是中國最大的商品糧生產(chǎn)基地，東北水稻是否高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)直接影響國家糧食安全。既然東北有急迫需求，中國科學(xué)院作為科技‘國家隊’，必須迎難而上，解決這些問題?！崩罴已箅S即安排好手頭工作，欣然北上。
從零起步，攻關(guān)超級稻育種
9月的東北，綠色的稻田一望無際，水稻開始灌漿，稻穗變得沉甸甸的。
李家洋帶領(lǐng)的中國科學(xué)院專家團隊與韓貴清帶領(lǐng)的黑龍江農(nóng)科院專家團隊在哈爾濱會合，5天內(nèi)馬不停蹄地跑了三四千公里，一直走到祖國最北端的建三江稻區(qū)。
每到一片稻田，李家洋和考察團專家就仔細觀察水稻的生長狀態(tài)，討論發(fā)現(xiàn)的問題。
一路上，他們看到很多稻田倒伏現(xiàn)象極為嚴重，當(dāng)?shù)刂髟缘膬?yōu)質(zhì)稻品種尤為明顯；有的稻田稻瘟病發(fā)病率達百分之三四十，甚至絕收；有的品種米粒中有明顯的堊白，米質(zhì)欠佳；大多數(shù)稻田種植的是圓粒品種，而非外觀更漂亮、市場需求更大的長粒品種……
考察結(jié)束后，黑龍江農(nóng)科院提出希望解決4個關(guān)鍵問題：提高產(chǎn)量、增強稻瘟病抗性和抗倒伏能力、提升稻米品質(zhì)及稻谷出米率、改良粒形。
在水稻育種領(lǐng)域，改良單一的優(yōu)良性狀并不困難，但要把多個優(yōu)點綜合在一起，難度則呈幾何級增長。李家洋給出的應(yīng)對策略是運用分子設(shè)計育種技術(shù)，培育一種集高產(chǎn)、抗病、抗倒伏、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)良性狀于一體的超級稻。
1994年，李家洋放棄優(yōu)厚的待遇，從美國回到中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所），在30多平方米的實驗室里白手起家，希望為祖國培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻。2000年，他帶領(lǐng)團隊在國內(nèi)率先建立植物基因圖位克隆技術(shù)方法體系，成功把單個功能基因分離出來。沿著這條技術(shù)路線，他與合作者一道，于2003年克隆出第一個控制水稻分蘗起始的關(guān)鍵基因MOC1，實現(xiàn)水稻功能基因組學(xué)研究“從0到1”的突破。
這一系列研究成果讓李家洋團隊處于國內(nèi)外植物遺傳學(xué)基礎(chǔ)研究的第一方陣。站在學(xué)科潮頭，李家洋心中萌生一個想法：“能不能把高產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)的基因模塊‘組裝’起來，像設(shè)計工業(yè)產(chǎn)品一樣‘設(shè)計’出理想的種子？”
在這個想法驅(qū)動下，李家洋在我國率先提出分子設(shè)計育種的理念。他覺得，這是中國育種行業(yè)的呼喚，也是時代發(fā)展的必然。
彼時，我國常規(guī)育種通過田間表型篩選一代代的雜交后代實現(xiàn)，費力耗時，培育周期較長。水稻關(guān)鍵基因的圖位克隆和功能分析，以及基因組測序、生物信息等現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為育種技術(shù)創(chuàng)新帶來新希望。
分子設(shè)計育種，將中國的育種技術(shù)理念帶到了世界前沿。
為了把前沿理念與技術(shù)落到實處，從為東北設(shè)計育種開始，李家洋帶領(lǐng)團隊從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)型，從零起步做育種，迎難而上補“短板”。
缺乏人才，李家洋就不斷地“招兵買馬”。具有育種和分子生物學(xué)研究經(jīng)驗的劉貴富來了，專門負責(zé)育種；具有生物信息學(xué)背景的余泓來了，負責(zé)搭建數(shù)據(jù)分析及大規(guī)模的檢測平臺；剛出校門的博士生陳明江也來了，逐漸成為育種的一把好手……這個原來主攻基礎(chǔ)研究的課題組，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐恢Ь哂卸鄬W(xué)科背景、兼具基礎(chǔ)研究與育種能力的戰(zhàn)隊。
缺少親本材料，李家洋就向長期從事水稻種質(zhì)資源收集創(chuàng)制與發(fā)掘的中國科學(xué)院院士錢前“取經(jīng)”，錢前推薦了南方長粒粳作為親本材料。研究團隊在前期分析的基礎(chǔ)上，選擇東北地區(qū)推廣面積較大且各具特色的兩個粳稻品種——“吉粳88”和“空育131”與南方長粒粳雜交，選育適宜東北稻區(qū)的種子。
育種基地短缺也是一個關(guān)鍵問題。當(dāng)時遺傳發(fā)育所在北京的農(nóng)場很小，分給李家洋團隊的只有3畝水稻田。為了保證育種所需要的材料樣本數(shù)，團隊在天津武清租種了30多畝水稻田，又千方百計聯(lián)系到當(dāng)時的江蘇省種子管理站南繁基地，用其25畝水稻田作為南繁基地。
這些舉措為分子設(shè)計育種理念和技術(shù)的落地做好了準(zhǔn)備。
李家洋（左一）、劉貴富（左二）查看水稻生長情況。遺傳發(fā)育所供圖
量身定制，“精準(zhǔn)設(shè)計”水稻品種
隨著東北稻區(qū)的育種攻關(guān)拉開帷幕，李家洋帶領(lǐng)團隊像候鳥一樣，每年跨越幾乎整個中國，往返于北京的實驗室、海南和天津的育種基地及東北的示范基地。
與傳統(tǒng)育種一樣，分子設(shè)計育種首先也要做田間親本雜交。
2008年10月，研究團隊將“吉粳88”“空育131”與南方長粒粳雜交，收獲了第一世代的種子。但這時種子的基因組合尚不純合，后代會發(fā)生嚴重的性狀分離。
為確保下一代水稻具有所設(shè)計的理想性狀，研究團隊從培育兩周左右的小苗上剪下一小段葉片，用分子標(biāo)記平臺檢測它是否含有全部要聚合的基因。
“這是分子設(shè)計育種的巨大優(yōu)勢?！币呀?jīng)成為遺傳發(fā)育所副研究員的余泓說，一個基因的檢測成本已從數(shù)十元下降到幾元，原本在田間需要很高成本才能完成特定表型的篩選工作，現(xiàn)在經(jīng)實驗室內(nèi)的初篩可以將其低成本地提前至作物生長早期進行，通過基因篩選，讓育種效率大幅提高。
水稻是喜溫作物。在海南和天津等地的育種基地，劉貴富和陳明江頭頂烈日、腳穿膠鞋，日復(fù)一日地觀察水稻生長情況。最熱的時候氣溫超過40攝氏度，上曬下蒸，他們雙腳泡得發(fā)燙，衣服濕了又干、干了又濕，結(jié)出一朵朵白白的鹽花。
單選育一個品種，他們每年就要種植三四百份不同世代的雜交后代材料。每一季，為培育不同的水稻品種，要種植、篩選近萬份不同的株系材料。每份材料的田間表現(xiàn)，如分蘗、拔節(jié)、抽穗、揚花、灌漿等，都要一一記錄清楚。
“育種不能有短板。只要一個性狀差了，其他性狀再好都沒用?！币呀?jīng)成為遺傳發(fā)育所研究員的劉貴富說，有時候，他們看著一個單株性狀挺好，高高興興地帶回去做小區(qū)測產(chǎn)試驗，結(jié)果卻不理想，只能繼續(xù)雜交、復(fù)交或回交，再選育。
直到2012年，南繁基地的田間選育材料進行到第八代，所選育部分株系的性狀終于穩(wěn)定下來。李家洋帶領(lǐng)團隊從十多個綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的組合后代中優(yōu)中選優(yōu)，終于確定了一個最好的穩(wěn)定株系。
這個后來被命名為“中科804”的材料，產(chǎn)量高、抗倒伏、抗稻瘟病、米粒長、外觀品質(zhì)優(yōu)、口感佳，完全符合黑龍江農(nóng)科院提出的要求。2017年，“中科804”通過國家品種審定，成為我國第一個分子設(shè)計育種的標(biāo)志性國審品種。
中科804”稻谷和稻米。遺傳發(fā)育所供圖
李家洋團隊為東北稻區(qū)“精準(zhǔn)設(shè)計”的品種大米。本報記者丁典攝
著手解決東北稻區(qū)面臨問題的同時，李家洋還帶領(lǐng)團隊與浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作，針對長江中下游稻區(qū)水稻品種單產(chǎn)徘徊不前、品質(zhì)較差、抗病性弱等問題，運用分子設(shè)計育種技術(shù)，培育秈粳交超級稻新品種。
他們?yōu)殚L江中下游稻區(qū)量身設(shè)計的“嘉優(yōu)中科”系列超級稻，也通過國家品種審定，累計在江蘇、浙江、安徽等地示范、推廣面積超過200萬畝，最高畝產(chǎn)達900公斤以上，比當(dāng)?shù)刂髟缘乃酒贩N增產(chǎn)20%以上。
2017年，李家洋團隊的“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機理及品種設(shè)計”成果，榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎。
國家最高科技獎獲得者、中國科學(xué)院院士李振聲評價，這是繼水稻矮化“綠色革命”和雜交水稻之后的第三次重大突破，是“綠色革命”的新起點與新突破。
打破質(zhì)疑，“稻堅強”屹立不倒
對于任何種子，拿到品種審定的“身份證”只是第一步。只有種到田地里，才能產(chǎn)生切實的效益。
為了讓更多人更快了解和使用“中科804”，李家洋決定讓它跟著名的“稻花香”同臺競技。
2018年，“中科804”第一次大面積示范推廣時，李家洋團隊在黑龍江、吉林、遼寧、寧夏、內(nèi)蒙古、新疆布置了50多個百畝以上示范片，3000畝的核心示范區(qū)則選在“稻花香”核心產(chǎn)區(qū)——黑龍江省五常市。
一開始，他們在五常市的示范工作并不順利。
農(nóng)民是最講實際的，他們不管李家洋是不是中國科學(xué)院院士、有沒有得過國家自然科學(xué)獎一等獎。當(dāng)科學(xué)家拿來新品種請他們試種時，農(nóng)民內(nèi)心是拒絕的：“‘稻花香’每畝2000元的年收入是可以預(yù)見的，如果種新品種利潤少了，誰來兜底？”
李家洋團隊跟農(nóng)民簽訂協(xié)議，如果每畝收入水平低于“稻花香”，就補齊到2000元。有人簽了協(xié)議，后來又把種子退了回來，“俺們種了十幾年的‘稻花香’，種慣了”。
時間過得飛快，4月播種，轉(zhuǎn)眼就到了9月收獲季節(jié)。這一年，水稻收獲前遇到連陰雨加臺風(fēng)，災(zāi)害過后，農(nóng)民的觀念徹底變了?！暗净ㄏ恪睅缀跞康狗?，而旁邊示范田里的“中科804”卻屹立不倒，“稻堅強”的形象由此深入人心。
2018年“中科804”五常示范片現(xiàn)場。遺傳發(fā)育所供圖
隨后測產(chǎn)結(jié)果揭曉。相比“稻花香”，“中科804”每畝增產(chǎn)200斤以上，可減少災(zāi)害損失30%，整精米率提高8%。高產(chǎn)、抗逆、優(yōu)質(zhì)特性兼具，讓它成為名副其實的“超級稻”。
“中科804”寄托了李家洋的科研初心。他學(xué)成回國后成立的課題組編號就是“804組”，這是他逐夢水稻育種的起點。
繼“中科804”之后，李家洋團隊在2018年又為東北稻區(qū)設(shè)計出更抗倒伏和抗病、口感更好、產(chǎn)量更高的“中科發(fā)5號”和“中科發(fā)6號”系列國審水稻品種。
“中科發(fā)”系列水稻的命名也含有深意?！爸锌啤贝碇袊茖W(xué)院或中國科技，“發(fā)”既代表遺傳發(fā)育所從事的科學(xué)研究，也有持續(xù)發(fā)展、發(fā)達之意。李家洋希望，遺傳發(fā)育所推出的這一系列品種能夠“蒸蒸日上、持續(xù)發(fā)展”。
如今，李家洋的期待已經(jīng)成為現(xiàn)實。
“中科發(fā)”系列品種已成為東北種植面積最大的水稻主栽品種之一，產(chǎn)量普遍比當(dāng)?shù)卦兄髟詢?yōu)質(zhì)品種提高20%以上，連續(xù)多年入選黑龍江省和吉林省主導(dǎo)或主推品種。這一系列品種外觀品質(zhì)優(yōu)、口感佳、出米率高，在東北稻米市場已經(jīng)形成獨立的收購價格體系，每斤收購價格比普通稻谷至少貴0.3元?！爸锌瓢l(fā)5號”被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民親切地稱作“發(fā)5”“神5”。
2023年，“中科發(fā)6號”榮獲農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織的第四屆全國優(yōu)質(zhì)稻評選粳稻組金獎。2024年，“中科發(fā)5號”榮獲農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織的第五屆全國優(yōu)質(zhì)稻評選粳稻組金獎。
讓已經(jīng)成為遺傳發(fā)育所副研究員的陳明江深有感觸的是，隨著“中科804”和“中科發(fā)”系列品種的推廣，質(zhì)疑聲消散了?！艾F(xiàn)在很多種子公司時常跑過來問，有沒有新的‘中科發(fā)’品種可以轉(zhuǎn)化推廣?！?span style="display:none">0Y0即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
“中科發(fā)”系列水稻成熟了。遺傳發(fā)育所供圖
向種圖強，引領(lǐng)種業(yè)振興潮流
俗話說，種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”。在余泓看來，種子跟芯片有兩方面十分相似——高科技含量、低成本擴張。
“作為育種人，看到一個高科技‘拳頭產(chǎn)品’被創(chuàng)制出來并迅速大面積推廣，能保持10到20年的優(yōu)勢，且給社會創(chuàng)造了價值，是對我們最大的肯定和回報。”余泓說。
從2008年“揭榜掛帥”，到2018年為東北稻區(qū)量身設(shè)計出理想的種子并大面積推廣，李家洋團隊和合作者用了整整10年。
回顧這段歷程，李家洋認為，成功得益于4個因素。“第一，將生產(chǎn)實踐與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，用基礎(chǔ)科學(xué)解決生產(chǎn)問題；第二，有好的團隊和合作伙伴，大家有共同興趣，互相信任，齊心協(xié)力；第三，有挑戰(zhàn)科學(xué)難題的信心、勇氣和精神；第四，有鍥而不舍的精神，直面困難，決不動搖?！?span style="display:none">0Y0即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
自從李家洋提出分子設(shè)計育種理念，并帶領(lǐng)團隊在這個領(lǐng)域嶄露頭角，這項育種技術(shù)引領(lǐng)了我國生物育種的潮流。
截至2019年，由遺傳發(fā)育所主導(dǎo)的中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”結(jié)題，已有來自全國20多家研究單位的200多名科學(xué)家采取分子模塊設(shè)計育種這種新手段，創(chuàng)制了水稻、大豆、小麥、鯉魚新品系200個，審定新品種27個，并在主產(chǎn)區(qū)大面積推廣。
“分子設(shè)計育種為我國生物育種提供了先導(dǎo)性、系統(tǒng)性解決方案，對引領(lǐng)我國品種升級換代具有重要意義。特別是在水稻方面，為確保主糧絕對安全提供了‘用得上，有影響’的科技支撐?！痹搶ｍ検紫茖W(xué)家、遺傳發(fā)育所原所長薛勇彪說。
李家洋心里有“一盤棋”：中國有5個水稻主產(chǎn)區(qū)，其中4個是戰(zhàn)略區(qū)，肯定要考慮布局新品種。長江中下游稻區(qū)、東北稻區(qū)、華中稻區(qū)、華南稻區(qū)，氣候、溫度和面臨的病害各不相同，他希望因地制宜，為不同稻區(qū)“設(shè)計”不同的水稻品種。
根據(jù)這一思路，如今，李家洋團隊采用分子設(shè)計育種技術(shù)培育的國審和省審水稻品種已達20多個。2020年以來，他們在長江中下游地區(qū)選育的雙季早粳稻新品系“中科發(fā)早粳1號”，實現(xiàn)了我國早粳稻“零的突破”，推動建立我國首個早粳稻品種的區(qū)試方案和審定標(biāo)準(zhǔn)，讓中國老百姓提前一個季度就能吃上好吃的新粳米。
雙季早粳稻。馮麗妃攝
在李家洋看來，分子設(shè)計育種的思路和技術(shù)手段有廣闊的應(yīng)用空間，不僅適用于水稻，還適用于玉米、小麥、油菜、大豆和很多蔬菜、水果、畜禽。用好這一利器，將為我國種業(yè)發(fā)展、糧食安全提供堅強的科技支撐。
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