科學(xué)是一個(gè)知識(shí)體系、一系列思維方式、一套研究方法。它如同一把神奇的鑰匙，打開了無數(shù)未知之門，讓我們得以深入了解自然的奧秘、拓展認(rèn)知的邊界?？茖W(xué)的影響無處不在，它不僅給予我們解決現(xiàn)實(shí)問題的力量，更賦予我們對(duì)未來的無限憧憬與想象。
院士可謂科學(xué)征程上的燈塔，他們深厚的學(xué)識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)引領(lǐng)科學(xué)前行的方向。從創(chuàng)新思維到人工智能，從探月工程到太陽觀測(cè)，從原子能應(yīng)用到高鐵發(fā)展，院士們以追求卓越中曲折的科研經(jīng)歷，以通俗易懂、風(fēng)趣的科普語言，在青少年心中撒播科學(xué)的種子，發(fā)揮科學(xué)家在“激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具有科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體”中的標(biāo)桿作用。
在新近出版的《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》一書中，院士的故事中充滿了堅(jiān)韌、智慧與勇氣，不僅僅具有教育意義，更猶如一盞盞明燈，具有極大的啟發(fā)性和激勵(lì)作用。
“太陽常常在微笑，但偶爾也會(huì)煩悶、暴躁甚至狂怒。”“火星上看日落是什么樣的？”“大家看到的極光一般是扭曲的各種顏色，為什么會(huì)這樣？”……這些本身是嚴(yán)肅的科學(xué)問題，又是與日常生活息息相關(guān)的話題，在院士的娓娓道來中，兼具學(xué)術(shù)性與故事性，讀來引人入勝、欲罷不能。
作為一位在水稻遺傳種質(zhì)資源研究領(lǐng)域具有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，錢前長(zhǎng)期從事作物種質(zhì)遺傳資源學(xué)研究，尤其在水稻遺傳種質(zhì)資源發(fā)掘創(chuàng)新、重要農(nóng)藝性狀解析與分子育種等領(lǐng)域取得了顯著成果。從微觀的基因，到宏觀的宇宙，錢前的水稻研究無所不至。那么，種子有什么用呢？種子的進(jìn)化是如何進(jìn)行的？人類為什么要花這么多的力氣去保存種子？錢前從水稻育種的成就開始，講述了一個(gè)種子的故事。
以下選自《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》，較原文有刪節(jié)修改。已獲得出版社授權(quán)刊發(fā)。
《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》，新京報(bào)社 編著，趙崢 主編，人民日?qǐng)?bào)出版社2024年6月版。
探索那些藏在歷史中的農(nóng)耕智慧
1962年，錢前出生于安徽安慶，少年時(shí)曾對(duì)遺傳育種產(chǎn)生興趣，1979年考入南開大學(xué)生物系遺傳專業(yè)。1983年畢業(yè)后，曾報(bào)考中國(guó)農(nóng)科院作科所小麥育種專家的研究生未果，進(jìn)入中國(guó)水稻研究所工作，成為水稻育種的一名年輕科研人員，踏入育種領(lǐng)域。從那時(shí)起，每年帶著種子南下北上，參加南繁育種，冬天在海南三亞，夏天在浙江杭州，在40多攝氏度的高溫下做雜交、做調(diào)查，40年未改其志。
1989年，錢前獲日本北海道大學(xué)遺傳育種專業(yè)碩士學(xué)位，1995年獲中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院遺傳育種專業(yè)博士學(xué)位。此后，錢前長(zhǎng)期從事作物種質(zhì)資源研究，尤其是水稻種質(zhì)資源發(fā)掘創(chuàng)新、重要農(nóng)藝性狀解析與分子育種等，研究成果先后獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)等。
研究水稻，一半在實(shí)驗(yàn)室，一半在田間，對(duì)錢前來說，還要在鄉(xiāng)間田野尋找野生稻，在野生稻中發(fā)掘那些優(yōu)異的基因和性狀，把它們應(yīng)用到育種中。
傳統(tǒng)的雜交選育，需要人工在田間尋找那些表現(xiàn)優(yōu)異的植株，再加以培育和選擇。在眾人都選擇更加強(qiáng)壯的植株時(shí)，錢前常常反其道行之，選擇那些看似“瘦弱”的植株。有人和他開玩笑，說人家都去研究又高又壯的水稻，怎么他凈挑這些奇形怪狀的稻子？但錢前認(rèn)為，基因是不會(huì)說假話的，它們的不同等位，決定了水稻的高、矮、胖、瘦，甚至是口感和品質(zhì)。換句話說，一個(gè)品種高產(chǎn)或低產(chǎn)、口感好與壞、分蘗多與少，是由其內(nèi)部基因序列的差異和表達(dá)調(diào)控的變化決定的。只有通過水稻性狀，甚至是極端性狀了解這些基因功能和作用方式，才能預(yù)測(cè)它們對(duì)水稻農(nóng)藝性狀的影響，進(jìn)而培育最佳生長(zhǎng)狀態(tài)的水稻新品種。
隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家對(duì)基因的了解越來越深入，育種也變得越來越精準(zhǔn)，這給錢前的研究帶來了更大的便利。在眾多的野生稻中，錢前和其團(tuán)隊(duì)利用基因鑒定等技術(shù)，獲得了水稻中的明星“小薇”以及它的姊妹材料，這是一種只有20厘米左右高的超矮稈水稻，適合工廠化生產(chǎn)，也適合未來的太空農(nóng)場(chǎng)。2016年9月15日，“小薇”搭乘“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入太空，探索太空植物培養(yǎng)的可行性。2023年7月25日，“小薇”再一次搭乘“問天”太空艙，一起在太空中，探索太空種植水稻的可能性。
20世紀(jì)70年代，錢前（右一）在江西省東鄉(xiāng)縣（今東鄉(xiāng)區(qū)）尋找野生稻。（《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》插圖）
從微觀的基因，到宏觀的宇宙，錢前的水稻研究無所不至。如今，他又開始循著時(shí)間的腳步，探索那些藏在歷史中的農(nóng)耕智慧。
就在2023年11月，錢前倡議建立了全國(guó)梯田科技聯(lián)盟，致力于保護(hù)和開發(fā)傳統(tǒng)梯田。梯田是傳統(tǒng)時(shí)代農(nóng)耕智慧的結(jié)晶，人們?cè)诟呱缴辖ǔ商萏铮米匀坏牧魉?，在梯田中種植水稻，千年不絕，至今猶在。錢前覺得，這些人們千百年建成的良田，不應(yīng)該被淹沒在歷史中，而是需要以科技的力量，幫助梯田和梯田上耕作的人們，轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，讓古老的梯田重新發(fā)揮作用。
這可能正是錢前的科研之路，從微觀到宏觀，從空間到時(shí)間，但他做的事情，卻只有一件，那就是發(fā)掘和利用水稻資源，育成更多更好的水稻。“科學(xué)總是在進(jìn)步的，人對(duì)科學(xué)的認(rèn)知也是沒有止境的。科研人員唯有日復(fù)一日、不畏艱苦地把一件事做到極致，才能在自己的領(lǐng)域有所收獲。”他說。
農(nóng)業(yè)發(fā)展中，種子一直都是最重要的部分之一
種子大家都不陌生，花的種子、樹的種子、糧食的種子，即便生活在城市中的人，多少也都接觸過。
從科學(xué)的角度講，種子是遺傳物質(zhì)的載體，和它對(duì)應(yīng)的一個(gè)說法，是種質(zhì)資源。種質(zhì)資源可以理解為生物留給下一代的遺傳物質(zhì)，種子是其中主要的載體。當(dāng)前，全球保存著740多萬份種質(zhì)資源，90%是種子，其他的還有花粉、莖葉、DNA等形態(tài)。
國(guó)家作物種質(zhì)庫展示的種子。（《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》插圖）
種子有什么用呢？當(dāng)然是用來繁衍，種子的繁衍能力非常強(qiáng)，一粒種子，可以結(jié)出數(shù)十倍、上百倍的糧食，人類正是利用了這一點(diǎn)來生產(chǎn)食物。
中國(guó)有悠久的農(nóng)耕歷史，漫長(zhǎng)的時(shí)間里，形成了豐富的農(nóng)業(yè)生物多樣性，同時(shí)也為世界農(nóng)業(yè)做出了突出的貢獻(xiàn)。世界上的五大作物，有三大作物是中國(guó)人的祖先從野草馴化而來。比如，禾本科的水稻、谷子，豆科的大豆。在大約1萬年前到5000年前的時(shí)間里，我們的祖先，把雜草一樣的野生稻，馴化成了優(yōu)質(zhì)的水稻，把狗尾草馴化成了谷子，把同樣像雜草一樣的大豆祖先，馴化成了大豆。
水稻馴化史：從野生稻到未來水稻。（《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》插圖）
這些作物的馴化，使得人類的食物得以保障，這就是我們的祖先為世界做出的貢獻(xiàn)。
種子如此重要，保存種子的工作自然也非常重要，全球各國(guó)都在花費(fèi)巨資進(jìn)行保存。我國(guó)也是如此。
我國(guó)建有全球容量最大的農(nóng)作物種質(zhì)庫，這是一座長(zhǎng)期庫，就是長(zhǎng)期保存種質(zhì)資源的地方。有人說它是種子銀行，有人說是種子的挪亞方舟，都是一個(gè)意思。
這里保存著目前能夠收集到的所有種子，有許多在田間和野外已經(jīng)消失了，但在這個(gè)庫里還有。
這座長(zhǎng)期庫中，保存著53萬多份種質(zhì)資源，其中大部分是種子的形態(tài)。這些種質(zhì)資源先后經(jīng)過了三個(gè)時(shí)期的收集：第一個(gè)時(shí)期是1955年到1958年，當(dāng)時(shí)在全國(guó)征集地方品種，收集了21萬份不同作物的種質(zhì)資源；第二個(gè)是時(shí)期是1975年到1985年，又補(bǔ)充收集了19萬份；第三個(gè)時(shí)期是2015年至2023年，也就是剛剛收官的第三次全國(guó)農(nóng)作物種質(zhì)資源普查與收集行動(dòng)，這一次收集了大約13.9萬份特色地方品種及野生資源。
國(guó)家作物種質(zhì)庫外觀。（《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》插圖）
種子的保存中，國(guó)家?guī)焓呛诵?，也是長(zhǎng)期戰(zhàn)略保存庫。相對(duì)應(yīng)的，還有眾多的中期庫、種質(zhì)圃等。我們有15個(gè)中期庫，分布在全國(guó)各地，主要功能是為各地科研提供種質(zhì)資源。種質(zhì)圃主要保存那些活體作物。人類為什么要花這么多的力氣去保存種子？種子里蘊(yùn)藏著可以改變世界的力量。
水、空氣、食物，是人類生存的基本要素，其中，只有食物是人類自己可以生產(chǎn)的。而在農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，種子一直都是最重要的部分之一。
20世紀(jì)五六十年代，第一次農(nóng)業(yè)綠色革命開始，主要表現(xiàn)就是作物的矮稈化。以水稻為例，原本水稻的高度和一個(gè)成年人差不多，矮稈化之后，株高降低了一半多，產(chǎn)量反而提升了一倍。
中國(guó)是最早實(shí)現(xiàn)水稻的第一次綠色革命的，1956年，廣東省農(nóng)科院的科學(xué)家黃耀祥，以矮仔占4號(hào)和廣場(chǎng)13號(hào)雜交，并在1959年育成了廣場(chǎng)矮品種，隨即開始大面積推廣。同樣在1956年，廣東省潮陽縣（今潮陽區(qū)）有兩位農(nóng)民，叫洪群英、洪春利，他們也選育出了一個(gè)矮稈品種。
水稻從高稈變成矮稈，在國(guó)際上直到1966年才正式育成，水稻變矮了，產(chǎn)量卻實(shí)現(xiàn)了倍增，所以當(dāng)時(shí)被稱為奇跡水稻。到20世紀(jì)80年代末，水稻年產(chǎn)量比之前十年，平均增長(zhǎng)了60%以上。值得注意的是，在亞洲，90%的人口以大米為主糧。同時(shí)，綠色革命也在小麥等作物上先后實(shí)現(xiàn)，這意味著，這一粒種子的進(jìn)化，解決了全世界的溫飽問題。要談種子的力量，就不能不談雜交水稻。
水稻是自花授粉的作物，一朵花上有雄蕊也有雌蕊，開花之后，非常短的時(shí)間里就會(huì)完成授粉。在當(dāng)時(shí)，水稻的雜交一直是世界難題，甚至有不少國(guó)外的科學(xué)家認(rèn)為，水稻并不具有雜種優(yōu)勢(shì)。
解開這一難題的，是一株偶然發(fā)現(xiàn)的野生稻。1970年11月，袁隆平的助手李必湖，在海南找到了一株天然雄性不育的野生稻，這成為打開水稻雜交大門最重要的一步。到1973年，袁隆平成功實(shí)現(xiàn)了水稻雜交的三系配套，開啟了雜交稻的新紀(jì)元。此后，雜交水稻的技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)量、品質(zhì)也都在不斷提升，但一切的開端，都在那個(gè)冬天三亞農(nóng)場(chǎng)里發(fā)現(xiàn)的那一株野生稻那里。
種子是農(nóng)業(yè)的芯片，是保障糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。（《我為什么愛科學(xué)：院士講給孩子的故事》插圖）
什么是創(chuàng)新？就是別人想不到或做不到的事情，你可以想到或者可以做到，就是創(chuàng)新。袁隆平一生追求創(chuàng)新，晚年也在不斷超越自己，值得我們所有人學(xué)習(xí)。
中國(guó)是第一個(gè)突破水稻雜交技術(shù)的國(guó)家，在這個(gè)領(lǐng)域，我們也一直領(lǐng)先于世界。1973年，育成第一個(gè)雜交水稻南優(yōu)2號(hào)。同年，湖北的農(nóng)技人員石明松發(fā)現(xiàn)了第一株自然光敏雄性不育水稻，為兩系法的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
水稻雜交技術(shù)中，最初是三系配套，包括不育系、恢復(fù)系和保持系，不育系是雜交的基礎(chǔ)，恢復(fù)系和不育系雜交后，即為雜交水稻，而保持系則是用于保持不育系不育特征的。不育系水稻用完了怎么辦？必須有一個(gè)保持系，和不育系雜交后，產(chǎn)生的后代，仍然保持不育的特點(diǎn)。
自然光敏雄性不育為雜交技術(shù)的突破提供了基礎(chǔ)，這種水稻在夏季光熱強(qiáng)度高時(shí)雄性不育，秋季光熱較低時(shí)又可育，所以不需要保持系，只用不育系和恢復(fù)系即可。
1986年，袁隆平先生提出了三系法、兩系法到一系法的育種策略，這是一個(gè)由繁到簡(jiǎn)的過程。在袁隆平生前，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩系法雜交育種。
隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們的育種手段也越來越高超。尤其是分子生物學(xué)、基因組學(xué)等現(xiàn)代學(xué)科的發(fā)展，給育種家?guī)砹撕芏噙h(yuǎn)超以往想象的工具。
比如，基因剪刀，當(dāng)人們?cè)絹碓缴钊氲卣J(rèn)識(shí)基因之后，基因編輯就成了可能?？茖W(xué)家可以精準(zhǔn)鑒定到某一個(gè)功能基因，并將其進(jìn)行敲除或者復(fù)制擴(kuò)大，發(fā)揮不同的功能。由此可以獲得高產(chǎn)、美味、健康等各種不同特點(diǎn)的品種。
同時(shí)，這些新的技術(shù)和工具，也使得袁隆平先生提出的一系法成了可能。所謂一系法，其實(shí)就是把雜交水稻的雜種優(yōu)勢(shì)固定下來，這樣就不用年年制種了。
過去常有人說，現(xiàn)在的雜交品種不能留種，這和雜交本身的特點(diǎn)有關(guān)，雜交的后代可能會(huì)表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性狀，但這些性狀不穩(wěn)定，很容易再次分離，簡(jiǎn)單來說就是不會(huì)遺傳給后代。現(xiàn)在有一批年輕的科學(xué)家，正在攻克這個(gè)難關(guān)，就是把第一代雜交種的雜種優(yōu)勢(shì)固定下來，使它們可以遺傳給后代，這個(gè)工作也被中國(guó)科協(xié)評(píng)選為“2020十大前沿科學(xué)問題”之一。
一粒種子的進(jìn)化，凝聚了中國(guó)科學(xué)家?guī)状恕?shù)十年的努力、希望和智慧的結(jié)晶。雜種優(yōu)勢(shì)利用中，科學(xué)家結(jié)合了多種不同特性的種質(zhì)資源，使品種不斷完善，逐步形成了中國(guó)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新最具有代表性的學(xué)科。
還是以水稻為例，袁隆平先生做的是野敗型雜交水稻，同時(shí)期，還有紅蓮型雜交水稻、岡型雜交水稻、滇型雜交水稻等，在這個(gè)領(lǐng)域中，真正是群星璀璨。
而且，自1979年起，雜交水稻遠(yuǎn)播五大洲近70個(gè)國(guó)家和地區(qū)，為糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)，為解決發(fā)展中國(guó)家糧食短缺問題提供了中國(guó)方案和中國(guó)智慧。
在今天，水稻育種的技術(shù)仍然在不斷提升，力量也在不斷壯大。我們?cè)谠∑较壬?dāng)年發(fā)現(xiàn)雄性不育野生稻的三亞，建立了國(guó)家野生稻種質(zhì)資源圃，可以活體保存4萬份野生稻，這些野生稻都是珍貴的資源，可以為育種科學(xué)家提供許許多多創(chuàng)新的素材。
20世紀(jì)90年代，有美國(guó)專家提出，21世紀(jì)誰來養(yǎng)活中國(guó)？他認(rèn)為到2030年，中國(guó)人口將會(huì)達(dá)到16億，糧食缺口達(dá)到50%以上。
某種程度上，我們要感謝他，他提醒我們，糧食安全要依靠自給。到今天，我們的口糧完全可以自給，小麥、水稻的種源也牢牢掌握在我們自己手里，這是保障14億多人口大國(guó)的基石之一。
種子的進(jìn)化還在進(jìn)行，或者說，隨著科技的進(jìn)步，種子的進(jìn)化也變得更快了，從以前的老農(nóng)育種，到雜交育種，再到利用現(xiàn)代生物學(xué)、基因編輯技術(shù)乃至數(shù)字技術(shù)等，進(jìn)行智慧育種，能更精準(zhǔn)、更高效地獲得我們想要的品種。在長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來，種子還將跟隨人類的腳步，踏入星辰大海，走向廣袤的宇宙，而人們也將在太空中建成農(nóng)場(chǎng)，讓種子在宇宙中生根發(fā)芽。
來源丨新京報(bào) 周懷宗
編輯丨農(nóng)財(cái)君
聯(lián)系農(nóng)財(cái)君丨18565265490
新時(shí)代 新種業(yè)
南方農(nóng)村報(bào)丨農(nóng)財(cái)寶典
