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2008年9月，中國科學院院士李家洋接到黑龍江省農業(yè)科學院（以下簡稱黑龍江農科院）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面臨的一些難題。

幾天后，黑龍江農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基地，東北水稻是否高產、穩(wěn)產直接影響國家糧食安全。既然東北有急迫需求，中國科學院作為科技‘國家隊’，必須迎難而上，解決這些問題。”李家洋隨即安排好手頭工作，欣然北上。

1?從零起步，攻關超級稻育種

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。

李家洋帶領的中國科學院專家團隊與韓貴清帶領的黑龍江農科院專家團隊在哈爾濱會合，5天內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，當地主栽的優(yōu)質稻品種尤為明顯；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，米質欠佳；大多數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……

考察結束后，黑龍江農科院提出希望解決4個關鍵問題：提高產量、增強稻瘟病抗性和抗倒伏能力、提升稻米品質及稻谷出米率、改良粒形。

在水稻育種領域，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。李家洋給出的應對策略是運用分子設計育種技術，培育一種集高產、抗病、抗倒伏、優(yōu)質等優(yōu)良性狀于一體的超級稻。

團隊為東北稻區(qū)“精準設計”的不同品種大米。中國科學報記者丁典/攝

1994年，李家洋放棄優(yōu)厚的待遇，從美國回到中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所（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優(yōu)質水稻。2000年，他帶領團隊在國內率先建立植物基因圖位克隆技術方法體系，成功把單個功能基因分離出來。沿著這條技術路線，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鍵基因MOC1，實現(xiàn)水稻功能基因組學研究“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外植物遺傳學基礎研究的第一方陣。站在學科潮頭，李家洋心中萌生一個想法：“能不能把高產、抗病、優(yōu)質的基因模塊‘組裝’起來，像設計工業(yè)產品一樣‘設計’出理想的種子？”

在這個想法驅動下，李家洋在我國率先提出分子設計育種的理念。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)代生命科學技術的快速發(fā)展，為育種技術創(chuàng)新帶來新希望。

分子設計育種，將中國的育種技術理念帶到了世界前沿。

為了把前沿理念與技術落到實處，從為東北設計育種開始，李家洋帶領團隊從基礎研究向應用研究轉型，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研究經驗的劉貴富來了，專門負責育種；具有生物信息學背景的余泓來了，負責搭建數據分析及大規(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……這個原來主攻基礎研究的課題組，逐漸轉變?yōu)橐恢Ь哂卸鄬W科背景、兼具基礎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資源收集創(chuàng)制與發(fā)掘的中國科學院院士錢前“取經”，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鍵問題。當時遺傳發(fā)育所在北京的農場很小，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，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。

這些舉措為分子設計育種理念和技術的落地做好了準備。

2?量身定制，“精準設計”水稻品種

隨著東北稻區(qū)的育種攻關拉開帷幕，李家洋帶領團隊像候鳥一樣，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，用分子標記平臺檢測它是否含有全部要聚合的基因。

“這是分子設計育種的巨大優(yōu)勢?！币呀洺蔀檫z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)在經實驗室內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?！币呀洺蔀檫z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)測產試驗，結果卻不理想，只能繼續(xù)雜交、復交或回交，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，產量高、抗倒伏、抗稻瘟病、米粒長、外觀品質優(yōu)、口感佳，完全符合黑龍江農科院提出的要求。2017年，“中科804”通過國家品種審定，成為我國第一個分子設計育種的標志性國審品種。

“中科804”稻谷（左）和稻米。

著手解決東北稻區(qū)面臨問題的同時，李家洋還帶領團隊與浙江省嘉興市農業(yè)科學院合作，針對長江中下游稻區(qū)水稻品種單產徘徊不前、品質較差、抗病性弱等問題，運用分子設計育種技術，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，最高畝產達900公斤以上，比當地主栽的水稻品種增產20%以上。

2017年，李家洋團隊的“水稻高產優(yōu)質性狀形成的分子機理及品種設計”成果，榮獲國家自然科學獎一等獎。

國家最高科技獎獲得者、中國科學院院士李振聲評價，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。

3?打破質疑，“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”核心產區(qū)——黑龍江省五常市。

2018年“中科804”五常示范片現(xiàn)場。

一開始，他們在五常市的示范工作并不順利。

農民是最講實際的，他們不管李家洋是不是中國科學院院士、有沒有得過國家自然科學獎一等獎。當科學家拿來新品種請他們試種時，農民內心是拒絕的：“‘稻花香’每畝2000元的年收入是可以預見的，如果種新品種利潤少了，誰來兜底？”

李家洋團隊跟農民簽訂協(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，災害過后，農民的觀念徹底變了?！暗净ㄏ恪睅缀跞康狗赃吺痉短锢锏摹爸锌?04”卻屹立不倒，“稻堅強”的形象由此深入人心。

隨后測產結果揭曉。相比“稻花香”，“中科804”每畝增產200斤以上，可減少災害損失30%，整精米率提高8%。高產、抗逆、優(yōu)質特性兼具，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)設計出更抗倒伏和抗病、口感更好、產量更高的“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院或中國科技，“發(fā)”既代表遺傳發(fā)育所從事的科學研究，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”。

“中科發(fā)”系列水稻成熟了。

如今，李家洋的期待已經成為現(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，產量普遍比當地原有主栽優(yōu)質品種提高20%以上，連續(xù)多年入選黑龍江省和吉林省主導或主推品種。這一系列品種外觀品質優(yōu)、口感佳、出米率高，在東北稻米市場已經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”被當地農民親切地稱作“發(fā)5”“神5”。

2023年，“中科發(fā)6號”榮獲農業(yè)農村部組織的第四屆全國優(yōu)質稻評選粳稻組金獎。2024年，“中科發(fā)5號”榮獲農業(yè)農村部組織的第五屆全國優(yōu)質稻評選粳稻組金獎。

讓已經成為遺傳發(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)’品種可以轉化推廣?！?/p>

4?向種圖強，引領種業(yè)振興潮流

俗話說，種子是農業(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?！庇嚆f。

從2008年“揭榜掛帥”，到2018年為東北稻區(qū)量身設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，將生產實踐與基礎研究相結合，用基礎科學解決生產問題；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?！?/p>

自從李家洋提出分子設計育種理念，并帶領團隊在這個領域嶄露頭角，這項育種技術引領了我國生物育種的潮流。

截至2019年，由遺傳發(fā)育所主導的中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”結題，已有來自全國20多家研究單位的200多名科學家采取分子模塊設計育種這種新手段，創(chuàng)制了水稻、大豆、小麥、鯉魚新品系200個，審定新品種27個，并在主產區(qū)大面積推廣。

“分子設計育種為我國生物育種提供了先導性、系統(tǒng)性解決方案，對引領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家、遺傳發(fā)育所原所長薛勇彪說。

雙季早粳稻。馮麗妃/攝

李家洋心里有“一盤棋”：中國有5個水稻主產區(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)“設計”不同的水稻品種。

根據這一思路，如今，李家洋團隊采用分子設計育種技術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)試方案和審定標準，讓中國老百姓提前一個季度就能吃上好吃的新粳米。

在李家洋看來，分子設計育種的思路和技術手段有廣闊的應用空間，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。

(原載于《中國科學報》?2024-07-05?第4版?專題）