中國之聲、央視頻攜手中國科協(xié)青少年科技中心，推出全媒體科普欄目——大師課堂《科學(xué)家講科學(xué)》。20位院士名家暢談熱點(diǎn)事件，為公眾科普答疑。
本期中國科學(xué)院院士、中國植物學(xué)會理事長種康帶我們走近神奇農(nóng)作物。
科學(xué)技術(shù)讓馴化周期大大縮短
人類按照自己的生存需求對野生植物進(jìn)行控制并開發(fā)利用，這個過程就是對植物的馴化。比如，栽培番茄由野生醋栗番茄馴化而來，在馴化和培育過程中，其果實(shí)增大了百倍。FW2.2是讓其果實(shí)變大的主要基因之一。
原本的馴化基本是以千年的時間跨度來計，而遺傳學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大大縮短了植物的馴化周期。種康院士介紹：“我們知道了控制性狀的一些關(guān)鍵因子，而且能夠操作這些因子，所以，能夠很快達(dá)成馴化的目標(biāo)。原來馴化需要幾千年的時間，現(xiàn)在幾年就可以做到。”
當(dāng)然，在對不同植物的馴化過程中，人類所遇到的問題不盡相同。但是，種康院士表示，如今，人類基本能夠馴化所有植物。
對于這個過程，科普作者“植物人”史軍認(rèn)為，它并不是單向的，人類同時也被植物所塑造。“比如，很多時候人類用火實(shí)際上是為了解除植物的防御性武裝。而且，把種子烹飪后食用更易消化。植物也偷偷操控著人類的行為。”史軍進(jìn)一步解釋。
在人類想盡辦法馴化野生植物的同時，有人卻“懷念”野生的味道，比如，野菜在很多人看來是新鮮又夠味兒的代表。
對此，種康院士介紹，野生植物除了甜之外的風(fēng)味大都是其次生代謝產(chǎn)物。而在追求高產(chǎn)的育種過程中，可能會使其次生代謝降低，造成一些風(fēng)味的減少。而如今的育種已經(jīng)不再只追求高產(chǎn)了。“過去幾十年育種的目標(biāo)主要是高產(chǎn)，但隨著社會的發(fā)展，育種目標(biāo)也開始轉(zhuǎn)向，在追求高產(chǎn)的同時，也要追求好吃和健康。”
對于偏愛野菜、野果的人，史軍也提醒：“這些風(fēng)味很多都是野生植物為對抗惡劣環(huán)境，特別是防止被食用而產(chǎn)生的。野生的不一定就好。”
“ 地里直接長出“地三鮮”？
最近兩年，預(yù)制菜的概念大火。其實(shí)，在過去對農(nóng)作物的科學(xué)幻想中，人們就憧憬過更前端形態(tài)的“預(yù)制菜”。比如，在一株植物上，地上部分結(jié)茄子，地下部分長土豆，距離一盤“地三鮮”只差青椒了。如今，這樣的幻想正在一步步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
種康院士介紹，近期研究表明一個關(guān)鍵酶（β-1,4-葡聚糖酶）活性能夠促使親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種成功嫁接。“現(xiàn)在已經(jīng)可以做到地上結(jié)茄子，地下結(jié)土豆了。在技術(shù)思路上，更進(jìn)一步的結(jié)辣椒等其他作物也是可行的。”不過，他也指出，要能產(chǎn)業(yè)化，和市場相關(guān)聯(lián)則還要走比較長的路。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)是重要育種手段
育種是通過創(chuàng)造遺傳變異、改良遺傳特性，來培育優(yōu)良動植物新品種的技術(shù)。廣義上講，生物育種技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷三個主要時期：原始馴化選育(1.0版)、雜交育種(2.0版)、分子育種(3.0版)。智能分子設(shè)計育種（4.0版）則是育種的未來方向。
種康院士介紹，轉(zhuǎn)基因技術(shù)，包括基因編輯技術(shù)，是很重要的育種手段，而且，在分子設(shè)計育種中也是很重要的工具。
1983年世界首例轉(zhuǎn)基因植物問世。自1996年轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化種植以來，全球累計種植轉(zhuǎn)基因作物超過400億畝。截至2021年2月，有40多個國家和地區(qū)進(jìn)口轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品。不過，仍有消費(fèi)者對其安全性有擔(dān)憂。
對于人們對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品安全性的顧慮，種康院士介紹，全世界現(xiàn)在種轉(zhuǎn)基因糧食作物的地區(qū)很多，目前為止，沒有一例報道稱其與某種疾病直接關(guān)聯(lián)的嚴(yán)密實(shí)驗(yàn)證據(jù)或論文。“人工馴化和育種的過程實(shí)際上就是一個轉(zhuǎn)基因的過程。宏觀來講，遠(yuǎn)緣雜交就是把一個物種的基因放在另一個物種里，成百上千個基因就過去了，然后看能夠得到什么樣的性狀。”種康院士解釋道。
有人也將雜交稱為“轉(zhuǎn)基因的前世”。相比之下，在使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)時，人們能夠精確地知道某個基因可以實(shí)現(xiàn)什么效果，也只對該基因進(jìn)行操作。種康介紹，番木瓜環(huán)斑病毒可以在10年內(nèi)就讓全球番木瓜產(chǎn)量減少90%。目前，99%以上的番木瓜是轉(zhuǎn)基因抗病毒番木瓜，轉(zhuǎn)的是病毒的外殼蛋白基因。
甚至，野生的植物中就有天然“轉(zhuǎn)基因”的。2017年發(fā)表的一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)顯示，研究人員在291個栽培紅薯（六倍體）的樣品中，都發(fā)現(xiàn)了有4個基因與農(nóng)桿菌（Agrobacterium）的基因同源，而這些基因在紅薯的野生祖先那里卻沒有出現(xiàn)。也就是說，在紅薯的起源演化過程中，大自然通過農(nóng)桿菌給它進(jìn)行了轉(zhuǎn)基因。“正是這些包含細(xì)胞分裂素、生長素的基因才讓紅薯的塊根膨大，變成紅薯。”種康介紹。
分子設(shè)計育種打造“六邊形”農(nóng)作物
種康院士及其團(tuán)隊的研究重點(diǎn)之一是通過分子設(shè)計的方式改良水稻品種，使其遇到低溫也一樣能夠存活，不影響產(chǎn)量。目前，已發(fā)現(xiàn)水稻耐低溫關(guān)鍵基因COLD1在秈、粳稻之間存在明顯差異，COLD1中單個核苷酸變化能明顯改變水稻的耐寒性。并且，與錢前院士合作，基于分子模塊設(shè)計技術(shù)路線，將COLD1分子模塊組裝培育出了雜交稻品種嘉禾優(yōu)7號，于2020年通過國家稻品種審定。據(jù)介紹，這一品種不光有較好的耐寒性，還同時保留了高產(chǎn)、抗病等其他優(yōu)異性狀。種康表示：“育種要全能冠軍，而不是一個單項(xiàng)冠軍。單項(xiàng)冠軍沒用，要找到多個性狀的一個最佳平衡狀態(tài)，綜合能力才強(qiáng)。”
分子設(shè)計育種是當(dāng)前育種技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，種康院士表示，分子設(shè)計育種必須和計算機(jī)科學(xué)、人工智能和數(shù)學(xué)緊密結(jié)合起來。
不過，尋找唯一的最優(yōu)品種并不是分子設(shè)計育種的目標(biāo)。種康院士表示，保護(hù)、保存基因組多樣性和本土品種同樣十分重要。“從育種策略上講，‘雞蛋放一個籃子’是最危險的，一旦遇到不可預(yù)測的病害，可能危及整個品種。”
