2017年國(guó)家科技獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目巡禮：解密創(chuàng)新之路

國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者李家洋

要有挑戰(zhàn)難題的勇氣

本報(bào)記者 吳月輝

創(chuàng)新感言：搞科研，一是要有挑戰(zhàn)科學(xué)難題的勇氣和精神，不要因?yàn)閯e人解決不了，就覺得自己肯定也解決不了，要敢于挑戰(zhàn)，要有信心。二是要有一個(gè)非常好的團(tuán)隊(duì)，這非常關(guān)鍵。三是要有鍥而不舍的精神，在困難的時(shí)刻不動(dòng)搖，能夠一直堅(jiān)持下去。四是要具備敏銳性，如果沒有敏銳性，你根本不知道一項(xiàng)科學(xué)研究最重要的關(guān)鍵點(diǎn)在哪里。

獲獎(jiǎng)項(xiàng)目：水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江中下游稻區(qū)是我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)之一，歷史上一直是水稻育種水平和生產(chǎn)水平非常高的地區(qū)。但近20年以來(lái)，該地區(qū)水稻產(chǎn)量進(jìn)入一個(gè)緩慢增長(zhǎng)期，存在著品質(zhì)較差、抗病性弱、主栽種品種退化嚴(yán)重等問(wèn)題，由此也帶來(lái)了抗生素和農(nóng)藥濫用等一系列問(wèn)題。在這種情況下，科學(xué)家們一直在思索：能否找到水稻質(zhì)與量的“完美協(xié)調(diào)”，讓其綜合能力達(dá)到最佳？

經(jīng)過(guò)多年的努力，以中國(guó)科學(xué)院院士李家洋領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)終于找到了這個(gè)“完美協(xié)調(diào)點(diǎn)”。他們運(yùn)用分子設(shè)計(jì)育種的理念和技術(shù)，經(jīng)過(guò)精心的雜交“設(shè)計(jì)”，育成了具有理想株型及超高產(chǎn)、早熟和抗稻瘟病等優(yōu)秀基因的水稻新品種。

日前，這一突破性成果也因具有引領(lǐng)作用，對(duì)指導(dǎo)未來(lái)作物遺傳改良、保障國(guó)家糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義，摘得2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)桂冠。

“分子設(shè)計(jì)”育種技術(shù)可以精確改良水稻缺點(diǎn)

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里，中國(guó)的水稻育種實(shí)現(xiàn)了兩次重要突破，成為世界范圍內(nèi)第一次“綠色革命”的重要組成部分。

第一次是上世紀(jì)60年代矮化育種的成功，把水稻產(chǎn)量提高了20%—30%；第二次是上世紀(jì)70年代中期雜交水稻的研究成功，水稻產(chǎn)量在矮稈良種的基礎(chǔ)上又增長(zhǎng)20%左右。

兩次突破很好解決了中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家的溫飽問(wèn)題。如何在吃飽的同時(shí)又能吃好，讓水稻既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)？

1994年，在美國(guó)完成博士后學(xué)業(yè)之后，李家洋立刻回到國(guó)內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)開始努力。李家洋選擇了“分子設(shè)計(jì)”育種技術(shù)為研究方向。“‘分子設(shè)計(jì)’育種技術(shù)是世界作物遺傳改良領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)基因的直接選擇和有效聚合，也就是說(shuō)可以精確改良缺點(diǎn)，聚合多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不但有望實(shí)現(xiàn)水稻既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)，同時(shí)還能大幅度提高育種效率，縮短育種年限，并且實(shí)現(xiàn)‘精確育種’。”

研究過(guò)程異常艱難，沒有先例可循

多數(shù)農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)性狀，比如高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等，都受到多個(gè)基因的調(diào)控，并具有“模塊化”特性。

“水稻也一樣。所以，在這個(gè)過(guò)程中我們需要首先了解清楚水稻不同基因?qū)?yīng)的不同性狀，以及不同基因耦合可能產(chǎn)生的性狀，解析它們表達(dá)調(diào)控機(jī)制、彼此作用的模式。然后將這些基因根據(jù)需要進(jìn)行相對(duì)精確的重新組合，得到我們需要的品種，讓雜交、選種過(guò)程變得有目標(biāo)、可預(yù)見。”李家洋說(shuō)，“這就像搭積木，我們有針對(duì)性地選擇需要的積木，更快更好地搭建出需要的建筑。”

然而，“搭積木”的過(guò)程并不容易。

李家洋坦陳，最艱難的時(shí)期就是研究的起步階段。“在世界上這也是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，沒有先例可循。我們只能自己摸索研究，建立一套圖位克隆水稻基因的體系。”李家洋說(shuō)。

最終，經(jīng)過(guò)8年的努力攻關(guān)，李家洋團(tuán)隊(duì)成功建立了一套圖位克隆水稻基因體系。“有了這個(gè)體系，我們就可以克隆水稻的所有基因。”

“最讓我高興的是，之后的研究中我們成功找到了最關(guān)鍵基因。”李家洋說(shuō)，這種名為理想株型的基因可以讓株型更優(yōu)。“莖稈更粗壯，穗子大、谷粒大，這是高產(chǎn)最重要的性狀。”

除了讓水稻能既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)外，“分子設(shè)計(jì)”育種技術(shù)還能讓育種時(shí)間大大縮短。常規(guī)育種需要7—8年才能選出育種材料，“分子設(shè)計(jì)”育種技術(shù)能將其縮短到4—6年甚至更短，育種周期縮短為原來(lái)的1/2至1/3。

李家洋說(shuō)：“在常規(guī)育種中，雜交后的新稻株要等到在田里生長(zhǎng)后，科學(xué)家才能用肉眼‘海選’出想要的性狀植株。但在分子模塊設(shè)計(jì)育種中，哪怕還是小苗，只要做一次基因檢測(cè)，就能‘鎖定’想要的那一棵。”