當(dāng)人類深入到以往不可達(dá)的微觀世界，破解藏在基因里的秘密時(shí)，過去一萬年的作物馴化育種史，就正式踏入了飛躍式發(fā)展的時(shí)代。從孟德爾建立經(jīng)典遺傳學(xué)至今，一百五十多年的時(shí)間，人類在作物育種中取得的進(jìn)步，遠(yuǎn)超過去一萬年的總和。
在今天，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們育種的水平越來越高，產(chǎn)量、抗逆、品質(zhì)和口感快速進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)歷史上難以企及的目標(biāo)。
中國農(nóng)科院作科所研究員閆哲在三亞生物育種基地中
從盲盒到精準(zhǔn)選擇，育種技術(shù)變革史
“育種的未來依靠生物育種，生物育種的未來，基因編輯技術(shù)將擔(dān)當(dāng)主要角色。”2023年3月19日，海南三亞南濱農(nóng)場，生物育種基地中，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員謝傳曉說。
中國農(nóng)科院作科所研究員謝傳曉
時(shí)值三月，正是三亞農(nóng)作物收獲的季節(jié)，地里的玉米稈已經(jīng)焦枯一片，大豆的豆莢變得飽滿而干燥，育種家?guī)еと藗?，正在分門別類地收獲每一顆種子，把它們帶回實(shí)驗(yàn)室，鑒定、分析之后，等待下一輪的種植。
這片生物育種基地建成剛剛一年，基地中種植著眾多育種研究的材料，如耐除草劑的大豆、早熟的水稻、通過分子標(biāo)記選擇的玉米等，這些最新培育的育種材料，向人們展示著最新的生物育種技術(shù)和成果。
生物育種是一個(gè)俗稱，融合了全基因組選擇、基因編輯、合成生物、人工智能等種種現(xiàn)代技術(shù)，也涵蓋了雜交選育等傳統(tǒng)的、常規(guī)的育種技術(shù)，甚至包含了機(jī)器學(xué)習(xí)等未來技術(shù)。
“人類的歷史有兩三百萬年，馴化作物的歷史只有萬年左右，而這萬年漫長歷史中，絕大多數(shù)時(shí)間，作物品種的進(jìn)展緩慢。”謝傳曉說。
一直到經(jīng)典遺傳學(xué)建立，人類開始有意識(shí)地基于遺傳的規(guī)律去育種，育種技術(shù)也開始進(jìn)入了快速變革的時(shí)代。謝傳曉說，“在遺傳育種出現(xiàn)后，大部分作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等，出現(xiàn)了成倍的增長，雜交優(yōu)勢(shì)利用技術(shù)出現(xiàn)以后，產(chǎn)量水平再次跨越了一大步，再到現(xiàn)代基因技術(shù)、分子輔助選擇技術(shù)等出現(xiàn)，育種變得更加精準(zhǔn)、快捷。”
不論是傳統(tǒng)時(shí)代的作物馴化，還是遺傳育種、雜交育種等，育種家們只是根據(jù)田間表型選擇，像在盲盒中選擇，在成千上萬的個(gè)體中，尋找那些符合人類需求的有益變異，將它們挑選出來，一代代選育，再固定下來，成為更加優(yōu)秀的作物。而當(dāng)人們開始了解基因，一步步解開基因的秘密時(shí)，根據(jù)基因的生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行的選擇，育種家們可以精準(zhǔn)地知道哪一個(gè)基因造成了怎樣的變化，從而精準(zhǔn)選擇出更為優(yōu)異的品種。
“過去的常規(guī)育種，需要五到八年，從百萬級(jí)材料里才能育成一個(gè)新的品種，而現(xiàn)代生物育種技術(shù)，則可以把時(shí)間縮短到兩到三年，而且材料規(guī)模小，大大提高了育種效率。”中國農(nóng)科院作科所研究員閻哲說。
尋找“美味基因”，培育“美味水稻”
人類無法直觀地感受到微觀世界的變化，但人類會(huì)創(chuàng)造和使用工具，借助現(xiàn)代技術(shù)和高科技設(shè)備，人類可以深入到分子、原子的世界，了解它們隱藏起來的一切。
攻讀博士學(xué)位之后，謝傳曉就逐漸進(jìn)入生物育種的領(lǐng)域，從發(fā)現(xiàn)一個(gè)個(gè)感興趣的性狀開始，一步步探索、假設(shè)、求證、推翻、再假設(shè)、再求證，從定位到一個(gè)基因開始，一步步發(fā)現(xiàn)它的功能，探索它發(fā)揮作用的原理，利用原理培育新的材料和品種。微觀世界向他打開大門，門里那個(gè)瑰麗奇幻的世界讓人著迷，而用那個(gè)世界中的一切，創(chuàng)造一個(gè)屬于自己的品種，看著它從試驗(yàn)田里走出，走進(jìn)農(nóng)民田里，為農(nóng)民增產(chǎn)增收，“這是我們做農(nóng)業(yè)科技的人，獨(dú)有的成就感。”
這樣的科學(xué)家還有很多。2022年，中國農(nóng)科院作科所所長周文彬團(tuán)隊(duì)，在水稻中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特別的基因，這個(gè)基因可以同時(shí)提高作物的光合作用效率和氮素利用效率，并促進(jìn)提前抽穗。用容易理解的表達(dá)方式來說，僅這一個(gè)基因，就可以讓水稻產(chǎn)量提高30%以上，可以讓小麥產(chǎn)量提高20%左右，且縮短整個(gè)生育周期。
在生物育種基地，水稻正處在抽穗開花的季節(jié)，每天中午，中國工程院院士萬建民團(tuán)隊(duì)成員、中國農(nóng)科院作科所研究員趙志超，都要帶著學(xué)生和工人們，一起給水稻去雄、授粉。在這里，他們正在培育具有低血糖生成指數(shù)、低蛋白等特點(diǎn)的功能保健水稻品種，而在此之前，他們已經(jīng)從事多年的“美味水稻”“功能水稻”的培育。
“隨著生活水平的提高，人們對(duì)于味道的追求越來越高，過去那種只為飽腹、滿足植物蛋白攝入需求的時(shí)代一去不返了，在食物極大豐富的時(shí)候，人們對(duì)糧食的需求也逐漸轉(zhuǎn)向了風(fēng)味，味道不好的糧食，就算別的性狀好，也很難被人們接受。”趙志超說。
水稻中存在著“美味基因”，也就是調(diào)控風(fēng)味的基因，找到它們，利用他們，正是科學(xué)家們培育“美味水稻”的關(guān)鍵。
進(jìn)化與適應(yīng)，驚心動(dòng)魄的物種戰(zhàn)爭
人類對(duì)作物的馴化和選育，永遠(yuǎn)都有新的需求，而與病蟲害的戰(zhàn)爭，是永恒的主題之一。
生物基地的一角，一片特別的水稻肆意生長，和普通農(nóng)田中行列分明的水稻不同，這里的水稻密集而凌亂，這里是水稻高抗新材料的試驗(yàn)田。試驗(yàn)田的負(fù)責(zé)人、中國農(nóng)科院作科所副研究員紀(jì)志遠(yuǎn)介紹，他們?cè)谝吧局型诰虻搅艘粋€(gè)抗白葉枯病的基因，可以有效控制水稻的重要病害白葉枯病，如今正在培育抗病的育種材料。
水稻田里，工人正在給水稻去雄
“與病蟲害的斗爭中，生物技術(shù)有著廣闊的空間。”紀(jì)志遠(yuǎn)說。
優(yōu)秀的基因不僅僅來自于野生稻，也有可能出現(xiàn)在人們種植已久的栽培稻中。
在中國農(nóng)科院作科所副研究員鄭天清負(fù)責(zé)的稻田中，同樣種植著一片抗白葉枯病的育種材料。鄭天清是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻分子設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的一員，他所在的團(tuán)隊(duì)長期從事生物育種工作，在過去很多年中，團(tuán)隊(duì)開展了基于高代回交育種技術(shù)體系和全球3000份測序水稻資源數(shù)據(jù)庫的基因挖掘和種質(zhì)創(chuàng)新工作。他告訴記者，“我們從栽培稻高代回交育種材料中，挖掘到了一個(gè)廣譜抗白葉枯病的基因，有趣的是，它的雙親并不抗病，但它們的后代中卻出現(xiàn)了抗病性，我們正是在這個(gè)抗病的后代中，找到了這個(gè)基因；類似的還有雙親遲熟但是后代顯性早熟、雙親早熟但后代超親感光等眾多案例。”
怎樣確認(rèn)作物中那些優(yōu)異基因？科學(xué)家們利用生物技術(shù)，對(duì)測序資源進(jìn)行鑒定和挖掘，找到真正起作用的那個(gè)基因，這樣的工作，在無數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)室和田間進(jìn)行。
鄭天清介紹，他所在的團(tuán)隊(duì)，基于全球3000份測序水稻資源的基因組信息，輔以生物技術(shù)手段，還聯(lián)合挖掘出了抗水稻二化螟的基因。在驗(yàn)證過程中，他們用基因編輯技術(shù)，敲除了該基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原本抗蟲的栽培水稻地方品種材料，變得感蟲了，這正好證明，該基因正是水稻自身在長期馴化過程中獲得的對(duì)抗二化螟這一重大害蟲的重要武器。
一次重大的轉(zhuǎn)折，讓精準(zhǔn)育種成為可能
基因編輯技術(shù)夢(mèng)想的萌芽，出現(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代，在當(dāng)時(shí)，人們猜測，可能通過人為手段對(duì)基因進(jìn)行精準(zhǔn)的操作干預(yù)，實(shí)現(xiàn)某些原本不能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，比如治療某些原本無法治療的疾病。
二十世紀(jì)九十年代，鋅指核酸酶等第一代基因編輯技術(shù)正式出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，真的可以人工定點(diǎn)干預(yù)某些基因，但技術(shù)系統(tǒng)難度大，應(yīng)用性受到限制。
到二十世紀(jì)九十年代末期，效應(yīng)物核酸酶技術(shù)出現(xiàn)，解決了基因編輯的關(guān)鍵性難題，使得基因編輯變得可控。2012年，從古細(xì)菌適應(yīng)性免疫原理與機(jī)制研發(fā)CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)，徹底改變了基因編輯的技術(shù)進(jìn)程，基因編輯得以大范圍進(jìn)入植物、動(dòng)物、微生物與人類醫(yī)學(xué)與健康等各個(gè)研究領(lǐng)域。而發(fā)明該技術(shù)的科學(xué)家，在八年后的2020年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
“自此之后，我們不僅可以認(rèn)識(shí)基因，了解基因，還能夠按人的意志來精準(zhǔn)寫入和修改基因，這是以前想都不敢想的事情。”謝傳曉說。
在作物育種中，基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，使得育種技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)迭代性進(jìn)步，成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流中主流技術(shù)，“除了少數(shù)抗蟲、小部分抗除草劑之外，基因編輯能夠做到大部分事情，而且還能做過去那些技術(shù)根本無法做到的事情。”謝傳曉說，“比如袁隆平先生曾經(jīng)提出過第五代雜交技術(shù)的設(shè)想，即一系法，育成性狀不會(huì)分離的第一代雜交種，把雜種優(yōu)勢(shì)固定下來。但傳統(tǒng)的方法完全不可能實(shí)現(xiàn)。一系法要成功，就要在同一個(gè)植株中，同時(shí)創(chuàng)造四個(gè)變異，這四個(gè)變異其實(shí)在自然界中都有，但常規(guī)方法無法把它們同時(shí)聚合在一起，基因編輯技術(shù)為這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)，提供了技術(shù)基礎(chǔ)。事實(shí)上，已經(jīng)有國內(nèi)國外的科學(xué)家，通過基因編輯同時(shí)把四個(gè)基因改變了，再通過引入無融合生殖基因，基本實(shí)現(xiàn)了一系法的技術(shù)夢(mèng)想。”
和常規(guī)育種及過去的生物育種技術(shù)相比，基因編輯更加精準(zhǔn)。謝傳曉介紹，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)變異，想要利用它育成更好的品種時(shí)，通過雜交等常規(guī)方法也可以實(shí)現(xiàn)，但這是一個(gè)漫長的過程，要經(jīng)過多代的選育才有可能成功，且仍存在連鎖累贅引入不育性狀基因的問題，而基因編輯則可以精準(zhǔn)地進(jìn)行修飾操作，極大地縮短了育種的進(jìn)程，在更快的時(shí)間內(nèi)得到同樣的結(jié)果，且能克服連鎖累贅難題。“一個(gè)是盲盒中摸索，一個(gè)是瞄準(zhǔn)目標(biāo)，精準(zhǔn)施策，結(jié)果一樣或更好，但效率完全不同。”謝傳曉說。
種業(yè)翻身仗，生物技術(shù)是關(guān)鍵
往年三月，在三亞進(jìn)行南繁加代的育種家們，已經(jīng)開始逐漸回程。中國農(nóng)科院作科所研究員邱麗娟團(tuán)隊(duì)的老師和學(xué)生們，也是如此。但今年，他們還要在這里繼續(xù)工作很久。
生物育種基地中，收獲的大豆被晾曬在院子里，工人們正在仔細(xì)挑出那些沒有長好的豆莢，把成熟健康的豆子挑出來。收獲后大豆地里，新的一代已經(jīng)早早種上，團(tuán)隊(duì)成員、中國農(nóng)科院作科所研究員閻哲還要在這里等待新一輪的收獲。
中國農(nóng)科院作科所研究員閆哲
我國是糧食進(jìn)口大國，尤其是大豆，我國的大豆需求常年在1.2億噸以上，進(jìn)口量接近億噸。近年來，我國一直在推動(dòng)大豆等油料作物產(chǎn)能的提升。尤其是2021年以來，在全國推廣玉米大豆帶狀復(fù)合種植模式，提高大豆的自給率。
然而，由于缺乏耐除草劑品種，無論是帶狀復(fù)合種植模式，還是輪作模式，都需要投入更大的人力物力進(jìn)行田間管理。
晾曬的大豆種子
在生物基地，一種名為中黃6106的大豆材料正在進(jìn)行規(guī)?；嚪N，它是利用生物育種技術(shù)育成的耐除草劑大豆材料。閻哲介紹，在規(guī)?；嚪N中，中黃6106的除草效果可以達(dá)到95%左右?？梢詭椭蠖股a(chǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、機(jī)械化生產(chǎn)。
在距離大豆種植區(qū)不遠(yuǎn)的另外一塊地里，同樣耐除草劑的玉米也正在收獲，這些玉米是謝傳曉團(tuán)隊(duì)的成果。這里還進(jìn)行著各種不同的實(shí)驗(yàn)，玉米地的負(fù)責(zé)人掰開一個(gè)玉米外面的葉子，露出紅黃相間的玉米粒，這是分子標(biāo)記的痕跡，紅色的玉米粒，是標(biāo)記成功的，它們將再一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行分析、鑒定，而黃色的是未成功的。
小小的標(biāo)牌中，顯示著這株玉米從開始培育到現(xiàn)在四個(gè)世代的記錄
和大豆類似，我國玉米的生產(chǎn)缺口同樣巨大，近年來，每年進(jìn)口的數(shù)量達(dá)到了兩三千萬噸，糧食安全警鐘長鳴，而種業(yè)起著至關(guān)重要的作用。
“生物育種是打贏種業(yè)翻身仗的關(guān)鍵。”在一次公開采訪中，中國工程院院士萬建民說。
生物育種的未來，是否會(huì)重新進(jìn)入盲盒
現(xiàn)代社會(huì)中，科技的更新迭代正在變得越來越快，育種技術(shù)也是如此，謝傳曉團(tuán)隊(duì)幾年前研發(fā)的技術(shù)，如今已經(jīng)有了更進(jìn)一步的提升。
而新的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)，他們甚至可以在田間操作中，完成基因編輯的工作，“做生物育種，有大量實(shí)驗(yàn)室的工作，在過去，我們時(shí)常想，能不能在種地的過程中就把實(shí)驗(yàn)室的工作給做了？我們?yōu)榇俗隽舜罅康墓リP(guān)，現(xiàn)在這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，在田間授粉就可以實(shí)現(xiàn)基因編輯的效果了。”謝傳曉介紹。
更多的技術(shù)在不斷進(jìn)入育種技術(shù)中，如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等，這些未來技術(shù)將會(huì)給育種帶來怎樣的改變，值得期待。
“和大多數(shù)技術(shù)一樣，育種技術(shù)也有螺旋式上升的問題。”謝傳曉說，“在雜交時(shí)代，育種家們宛如在盲盒中摸索，根據(jù)性狀選擇，部分解決了問題?；蚓庉嫾夹g(shù)的出現(xiàn)，使得我們可以精準(zhǔn)育種。但新的技術(shù)出現(xiàn)后，可能又會(huì)回到那個(gè)黑箱子里，不過這一回是通過人工智能、機(jī)器去選擇。如果接著發(fā)展，再往后的技術(shù)，是不是可以使機(jī)器更加高效地做到精準(zhǔn)育種，我想，這是可以實(shí)現(xiàn)的。”
謝傳曉相信，未來的育種，會(huì)更快捷，更準(zhǔn)確，而這些都要依賴于生物育種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
