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2008年9月，中國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)黑龍江農(nóng)科院）耕作栽培研究所所長(zhǎng)來(lái)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(zhǎng)韓貴清又打來(lái)電話，邀請(qǐng)李家洋到東北稻區(qū)考察。

“東北是中國(guó)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(guó)家糧食安全。既然東北有急迫需求，中國(guó)科學(xué)院作為科技‘國(guó)家隊(duì)’，必須迎難而上，解決這些問(wèn)題?！崩罴已箅S即安排好手頭工作，欣然北上。

1?從零起步，攻關(guān)超級(jí)稻育種

9月的東北，綠色的稻田一望無(wú)際，水稻開(kāi)始灌漿，稻穗變得沉甸甸的。

李家洋帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)與韓貴清帶領(lǐng)的黑龍江農(nóng)科院專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)在哈爾濱會(huì)合，5天內(nèi)馬不停蹄地跑了三四千公里，一直走到祖國(guó)最北端的建三江稻區(qū)。

每到一片稻田，李家洋和考察團(tuán)專(zhuān)家就仔細(xì)觀察水稻的生長(zhǎng)狀態(tài)，討論發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

一路上，他們看到很多稻田倒伏現(xiàn)象極為嚴(yán)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(dá)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(chǎng)需求更大的長(zhǎng)粒品種……

考察結(jié)束后，黑龍江農(nóng)科院提出希望解決4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：提高產(chǎn)量、增強(qiáng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)綜合在一起，難度則呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。李家洋給出的應(yīng)對(duì)策略是運(yùn)用分子設(shè)計(jì)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(jí)稻。

團(tuán)隊(duì)為東北稻區(qū)“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”的不同品種大米。中國(guó)科學(xué)報(bào)記者丁典/攝

1994年，李家洋放棄優(yōu)厚的待遇，從美國(guó)回到中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)遺傳發(fā)育所），在30多平方米的實(shí)驗(yàn)室里白手起家，希望為祖國(guó)培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻。2000年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(gè)功能基因分離出來(lái)。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(gè)控制水稻分蘗起始的關(guān)鍵基因MOC1，實(shí)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(tuán)隊(duì)處于國(guó)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(gè)想法：“能不能把高產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)的基因模塊‘組裝’起來(lái)，像設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品一樣‘設(shè)計(jì)’出理想的種子？”

在這個(gè)想法驅(qū)動(dòng)下，李家洋在我國(guó)率先提出分子設(shè)計(jì)育種的理念。他覺(jué)得，這是中國(guó)育種行業(yè)的呼喚，也是時(shí)代發(fā)展的必然。

彼時(shí)，我國(guó)常規(guī)育種通過(guò)田間表型篩選一代代的雜交后代實(shí)現(xiàn)，費(fèi)力耗時(shí)，培育周期較長(zhǎng)。水稻關(guān)鍵基因的圖位克隆和功能分析，以及基因組測(cè)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(lái)新希望。

分子設(shè)計(jì)育種，將中國(guó)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(shí)處，從為東北設(shè)計(jì)育種開(kāi)始，李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(bǔ)“短板”。

缺乏人才，李家洋就不斷地“招兵買(mǎi)馬”。具有育種和分子生物學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)的劉貴富來(lái)了，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)育種；具有生物信息學(xué)背景的余泓來(lái)了，負(fù)責(zé)搭建數(shù)據(jù)分析及大規(guī)模的檢測(cè)平臺(tái)；剛出校門(mén)的博士生陳明江也來(lái)了，逐漸成為育種的一把好手……這個(gè)原來(lái)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(duì)。

缺少親本材料，李家洋就向長(zhǎng)期從事水稻種質(zhì)資源收集創(chuàng)制與發(fā)掘的中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前“取經(jīng)”，錢(qián)前推薦了南方長(zhǎng)粒粳作為親本材料。研究團(tuán)隊(duì)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(gè)粳稻品種——“吉粳88”和“空育131”與南方長(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)時(shí)遺傳發(fā)育所在北京的農(nóng)場(chǎng)很小，分給李家洋團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在天津武清租種了30多畝水稻田，又千方百計(jì)聯(lián)系到當(dāng)時(shí)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(jì)育種理念和技術(shù)的落地做好了準(zhǔn)備。

2?量身定制，“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”水稻品種

隨著東北稻區(qū)的育種攻關(guān)拉開(kāi)帷幕，李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)像候鳥(niǎo)一樣，每年跨越幾乎整個(gè)中國(guó)，往返于北京的實(shí)驗(yàn)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(jì)育種首先也要做田間親本雜交。

2008年10月，研究團(tuán)隊(duì)將“吉粳88”“空育131”與南方長(zhǎng)粒粳雜交，收獲了第一世代的種子。但這時(shí)種子的基因組合尚不純合，后代會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的性狀分離。

為確保下一代水稻具有所設(shè)計(jì)的理想性狀，研究團(tuán)隊(duì)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(tái)檢測(cè)它是否含有全部要聚合的基因。

“這是分子設(shè)計(jì)育種的巨大優(yōu)勢(shì)?！币呀?jīng)成為遺傳發(fā)育所副研究員的余泓說(shuō)，一個(gè)基因的檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的初篩可以將其低成本地提前至作物生長(zhǎng)早期進(jìn)行，通過(guò)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(zhǎng)情況。最熱的時(shí)候氣溫超過(guò)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(gè)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(wàn)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(yáng)花、灌漿等，都要一一記錄清楚。

“育種不能有短板。只要一個(gè)性狀差了，其他性狀再好都沒(méi)用?！币呀?jīng)成為遺傳發(fā)育所研究員的劉貴富說(shuō)，有時(shí)候，他們看著一個(gè)單株性狀挺好，高高興興地帶回去做小區(qū)測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)，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(jìn)行到第八代，所選育部分株系的性狀終于穩(wěn)定下來(lái)。李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從十多個(gè)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(gè)最好的穩(wěn)定株系。

這個(gè)后來(lái)被命名為“中科804”的材料，產(chǎn)量高、抗倒伏、抗稻瘟病、米粒長(zhǎng)、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(guò)國(guó)家品種審定，成為我國(guó)第一個(gè)分子設(shè)計(jì)育種的標(biāo)志性國(guó)審品種。

“中科804”稻谷（左）和稻米。

著手解決東北稻區(qū)面臨問(wèn)題的同時(shí)，李家洋還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作，針對(duì)長(zhǎng)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(wèn)題，運(yùn)用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，培育秈粳交超級(jí)稻新品種。

他們?yōu)殚L(zhǎng)江中下游稻區(qū)量身設(shè)計(jì)的“嘉優(yōu)中科”系列超級(jí)稻，也通過(guò)國(guó)家品種審定，累計(jì)在江蘇、浙江、安徽等地示范、推廣面積超過(guò)200萬(wàn)畝，最高畝產(chǎn)達(dá)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(tuán)隊(duì)的“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)”成果，榮獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

國(guó)家最高科技獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院院士李振聲評(píng)價(jià)，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(diǎn)與新突破。

3?打破質(zhì)疑，“稻堅(jiān)強(qiáng)”屹立不倒

對(duì)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(shí)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(tái)競(jìng)技。

2018年，“中科804”第一次大面積示范推廣時(shí)，李家洋團(tuán)隊(duì)在黑龍江、吉林、遼寧、寧夏、內(nèi)蒙古、新疆布置了50多個(gè)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。

2018年“中科804”五常示范片現(xiàn)場(chǎng)。

一開(kāi)始，他們?cè)谖宄Ｊ械氖痉豆ぷ鞑⒉豁樌?/p>

農(nóng)民是最講實(shí)際的，他們不管李家洋是不是中國(guó)科學(xué)院院士、有沒(méi)有得過(guò)國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。當(dāng)科學(xué)家拿來(lái)新品種請(qǐng)他們?cè)嚪N時(shí)，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(jiàn)的，如果種新品種利潤(rùn)少了，誰(shuí)來(lái)兜底？”

李家洋團(tuán)隊(duì)跟農(nóng)民簽訂協(xié)議，如果每畝收入水平低于“稻花香”，就補(bǔ)齊到2000元。有人簽了協(xié)議，后來(lái)又把種子退了回來(lái)，“俺們種了十幾年的‘稻花香’，種慣了”。

時(shí)間過(guò)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(tái)風(fēng)，災(zāi)害過(guò)后，農(nóng)民的觀念徹底變了。“稻花香”幾乎全部倒伏，而旁邊示范田里的“中科804”卻屹立不倒，“稻堅(jiān)強(qiáng)”的形象由此深入人心。

隨后測(cè)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(shí)的“超級(jí)稻”。

“中科804”寄托了李家洋的科研初心。他學(xué)成回國(guó)后成立的課題組編號(hào)就是“804組”，這是他逐夢(mèng)水稻育種的起點(diǎn)。

繼“中科804”之后，李家洋團(tuán)隊(duì)在2018年又為東北稻區(qū)設(shè)計(jì)出更抗倒伏和抗病、口感更好、產(chǎn)量更高的“中科發(fā)5號(hào)”和“中科發(fā)6號(hào)”系列國(guó)審水稻品種。

“中科發(fā)”系列水稻的命名也含有深意。“中科”代表中國(guó)科學(xué)院或中國(guó)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(dá)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”。

“中科發(fā)”系列水稻成熟了。

如今，李家洋的期待已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

“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(xún)?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(chǎng)已經(jīng)形成獨(dú)立的收購(gòu)價(jià)格體系，每斤收購(gòu)價(jià)格比普通稻谷至少貴0.3元?！爸锌瓢l(fā)5號(hào)”被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民親切地稱(chēng)作“發(fā)5”“神5”。

2023年，“中科發(fā)6號(hào)”榮獲農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織的第四屆全國(guó)優(yōu)質(zhì)稻評(píng)選粳稻組金獎(jiǎng)。2024年，“中科發(fā)5號(hào)”榮獲農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織的第五屆全國(guó)優(yōu)質(zhì)稻評(píng)選粳稻組金獎(jiǎng)。

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(shí)常跑過(guò)來(lái)問(wèn)，有沒(méi)有新的‘中科發(fā)’品種可以轉(zhuǎn)化推廣?！?/p>

4?向種圖強(qiáng)，引領(lǐng)種業(yè)振興潮流

俗話說(shuō)，種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”。在余泓看來(lái)，種子跟芯片有兩方面十分相似——高科技含量、低成本擴(kuò)張。

“作為育種人，看到一個(gè)高科技‘拳頭產(chǎn)品’被創(chuàng)制出來(lái)并迅速大面積推廣，能保持10到20年的優(yōu)勢(shì)，且給社會(huì)創(chuàng)造了價(jià)值，是對(duì)我們最大的肯定和回報(bào)?！庇嚆f(shuō)。

從2008年“揭榜掛帥”，到2018年為東北稻區(qū)量身設(shè)計(jì)出理想的種子并大面積推廣，李家洋團(tuán)隊(duì)和合作者用了整整10年。

回顧這段歷程，李家洋認(rèn)為，成功得益于4個(gè)因素?！暗谝?，將生產(chǎn)實(shí)踐與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，用基礎(chǔ)科學(xué)解決生產(chǎn)問(wèn)題；第二，有好的團(tuán)隊(duì)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(dòng)搖?！?/p>

自從李家洋提出分子設(shè)計(jì)育種理念，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角，這項(xiàng)育種技術(shù)引領(lǐng)了我國(guó)生物育種的潮流。

截至2019年，由遺傳發(fā)育所主導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”結(jié)題，已有來(lái)自全國(guó)20多家研究單位的200多名科學(xué)家采取分子模塊設(shè)計(jì)育種這種新手段，創(chuàng)制了水稻、大豆、小麥、鯉魚(yú)新品系200個(gè)，審定新品種27個(gè)，并在主產(chǎn)區(qū)大面積推廣。

“分子設(shè)計(jì)育種為我國(guó)生物育種提供了先導(dǎo)性、系統(tǒng)性解決方案，對(duì)引領(lǐng)我國(guó)品種升級(jí)換代具有重要意義。特別是在水稻方面，為確保主糧絕對(duì)安全提供了‘用得上，有影響’的科技支撐。”該專(zhuān)項(xiàng)首席科學(xué)家、遺傳發(fā)育所原所長(zhǎng)薛勇彪說(shuō)。

雙季早粳稻。馮麗妃/攝

李家洋心里有“一盤(pán)棋”：中國(guó)有5個(gè)水稻主產(chǎn)區(qū)，其中4個(gè)是戰(zhàn)略區(qū)，肯定要考慮布局新品種。長(zhǎng)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(jì)”不同的水稻品種。

根據(jù)這一思路，如今，李家洋團(tuán)隊(duì)采用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)培育的國(guó)審和省審水稻品種已達(dá)20多個(gè)。2020年以來(lái)，他們?cè)陂L(zhǎng)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(hào)”，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)早粳稻“零的突破”，推動(dòng)建立我國(guó)首個(gè)早粳稻品種的區(qū)試方案和審定標(biāo)準(zhǔn)，讓中國(guó)老百姓提前一個(gè)季度就能吃上好吃的新粳米。

在李家洋看來(lái)，分子設(shè)計(jì)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(guó)種業(yè)發(fā)展、糧食安全提供堅(jiān)強(qiáng)的科技支撐。

(原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-07-05?第4版?專(zhuān)題）