李家洋院士 | 我們需要更“聰明”的種子

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      現(xiàn)在的人工智能，能寫詩、畫畫，還能寫代碼，越來越能干。我很好奇，如果人工智能走進農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，會對我們每天吃的糧食帶來什么改變？未來的農(nóng)作物能自己“思考”，從而應(yīng)對旱澇等災(zāi)害嗎？

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      這其實是一場正在發(fā)生的農(nóng)業(yè)科技革命。如今，在中國科學(xué)家手中，育種從“設(shè)計”邁向“智能”，已蛻變?yōu)橐婚T可預(yù)測、可編程、可定制的精密科學(xué)。本期“院士講科普”，我們邀請中國科學(xué)院院士、崖州灣國家實驗室主任李家洋，為我們解讀如何通過生命編程，讓每粒種子擁有“智慧”。

 

      在黑龍江省五常市的稻田里，曾發(fā)生過這樣一幕——

      

      一場臺風裹挾著暴雨過境，原本挺立的金色稻浪被壓倒在泥濘中。當?shù)胤N植戶最不愿看到這樣的場景：倒伏，意味著減產(chǎn)，一年的辛勞可能大打折扣。然而，在同一片試驗田里，有一塊區(qū)域的水稻卻依然筆直挺立，與周圍形成了鮮明對比。

      

      這是中國科學(xué)院院士、崖州灣國家實驗室主任李家洋團隊培育的“中科發(fā)”水稻品種——一種應(yīng)用分子設(shè)計技術(shù)培育出的優(yōu)良品種。在他的構(gòu)想中，未來的種子將擁有更令人驚嘆的能力：它們將不再是被動等待風雨的植物，而是能夠主動感知甚至“計算”環(huán)境變化的智能生命體。

 

      種子能被“精準設(shè)計”

      

      人類獲取食物的歷史，是一部不斷改良物種基因、改造作物的科技進化史。

      

      “種瓜得瓜、種豆得豆，這是遺傳；長出的瓜有大有小，包含變異。育種家的工作，就是捕捉變異，固定優(yōu)勢。”李家洋說。

      

      在漫長的農(nóng)業(yè)歷史中，作物育種技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)次科技革命與世代更替。

      

      最早的“育種1.0”是馴化選育。我們的祖先花費數(shù)千年，從野生植物中馴化出農(nóng)作物，依靠的是肉眼觀察和漫長的等待。20世紀開始，隨著遺傳學(xué)理論的成熟與應(yīng)用，育種家開始有意識地應(yīng)用雜交技術(shù)，極大地提高了糧食產(chǎn)量，“育種2.0”隨之而來。

      

      然而，雜交育種如同“拆盲盒”，往往耗費數(shù)年甚至數(shù)十年。就像在無數(shù)個黑箱子里摸索，成功率較低。育種家在田間地頭，面對成千上萬株材料，尋找那萬分之一的幸運。

      

      “有時候你想要作物高產(chǎn)，但高產(chǎn)的植株可能不抗??；想要抗病，可能口感又不好。”李家洋說。

      

      到了“育種3.0”，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家開始利用分子標記來輔助選擇，或者通過新技術(shù)引入特定的抗蟲、抗除草劑性狀。

      

      1994年，李家洋回國進入中國科學(xué)院遺傳研究所工作。他與團隊通過解析水稻功能基因組，確定了控制產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等性狀的關(guān)鍵基因，并提出了“分子設(shè)計育種”的理念，這也讓育種邁入“4.0”。

      

      所謂分子設(shè)計育種，就是解析出控制性狀的關(guān)鍵基因，弄清楚它們之間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。科學(xué)家可以根據(jù)需求，將這些優(yōu)異的基因模塊進行“組裝”。“我們希望像設(shè)計工業(yè)產(chǎn)品一樣，精準地設(shè)計種子。”李家洋說。

      

      這一理念在水稻上取得了巨大成功——李家洋團隊培育的“中科發(fā)”系列水稻精準聚合了抗倒伏、抗稻瘟病、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等基因，在東北實現(xiàn)了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的升級迭代，并首次實現(xiàn)了我國南方雙季早粳稻零的突破，讓南方居民在7月份就能吃上口感軟糯的新粳米，改變了過去“早稻不好吃”的傳統(tǒng)印象。

      

      2025年12月22日，中國科學(xué)院發(fā)布A類先導(dǎo)專項“種子精準設(shè)計與創(chuàng)造”系列科研成果。該專項通過創(chuàng)建精準設(shè)計育種新范式，取得了覆蓋理論、技術(shù)、產(chǎn)品的全鏈條體系化突破，累計推廣先導(dǎo)型作物新品種1448萬畝，為打造種業(yè)振興的“中國芯”提供科技支撐。

      

      從田間到餐桌，從作物到水產(chǎn)，精準設(shè)計的理念，正在不同領(lǐng)域開花結(jié)果：在小麥領(lǐng)域，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團隊創(chuàng)制出既抗白粉病又高產(chǎn)的新種質(zhì)，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇團隊挖掘出“免疫盾牌”基因，讓農(nóng)藥用量大幅下降；在水產(chǎn)領(lǐng)域，中國科學(xué)院水生生物研究所研究員桂建芳團隊將“設(shè)計”延伸到了魚類，培育出“無肌間刺”的鯽魚，讓吃魚不再受魚刺困擾……

      

      “還不夠。”李家洋認為，現(xiàn)有的設(shè)計雖然更精準，但往往是靜態(tài)的。面對未來氣候變化和資源短缺的挑戰(zhàn)，我們需要更“聰明”的種子。

 

      作物實現(xiàn)“按需表達”

      

      “現(xiàn)有的作物品種，雖然經(jīng)過了精心設(shè)計，但不夠智能。”李家洋解釋，比如植物體內(nèi)的某些抗病基因，無論外界環(huán)境如何，往往處于持續(xù)表達狀態(tài)。

      

      “植物的生長發(fā)育需要能量。如果一個抗病基因一直處于開啟狀態(tài)，即便沒有病害侵襲，它也在消耗能量，這必然會影響作物產(chǎn)量。”李家洋打了個比方，“就像家里的燈，無論有人沒人一直亮著，顯然不節(jié)能。”

      

      在他看來，“育種5.0”的鮮明特征是智能。這包含兩個層面：一是智能品種，二是智能培育。

      

      所謂智能品種，就是讓作物擁有自主應(yīng)對環(huán)境變化的能力。

      

      想象一下，一株水稻內(nèi)部安裝了精密的“生物傳感器”和“智能開關(guān)”。當高溫熱浪來襲時能迅速感知，并啟動抗熱基因表達，調(diào)整代謝通路以鎖住水分；當氣溫回落，這套防御系統(tǒng)自動關(guān)閉，能量重新分配給籽粒灌漿。當病菌入侵，免疫系統(tǒng)瞬間激活；病害消除后，又能迅速“休戰(zhàn)”。

      

      “平時關(guān)閉，需時打開。在不同的發(fā)育階段、面對不同的環(huán)境壓力，作物能夠最優(yōu)化地動態(tài)調(diào)整自己的株型和代謝。”李家洋描繪了這樣一幅圖景，“這種‘按需表達’的機制才更加智能，它能解決長期以來高產(chǎn)與高抗難以兼得的矛盾，實現(xiàn)‘兩增兩減’——增產(chǎn)、增質(zhì)，減投、減損。”

      

      目前，這種“智能開關(guān)”研究已經(jīng)取得初步成果。李家洋團隊及合作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些具有智能雛形的基因模塊，通過合成生物學(xué)及基因編輯技術(shù)，科學(xué)家正在嘗試構(gòu)建這種動態(tài)響應(yīng)的基因回路。

      

      要培育出“聰明”的種子，光靠生物技術(shù)還不夠，必須融合信息技術(shù)和人工智能。這就是“育種5.0”的另一層含義——智能培育。

      

      一株作物擁有數(shù)萬個基因，它們之間的相互作用錯綜復(fù)雜，再加上環(huán)境因素的干擾，數(shù)據(jù)量是天文數(shù)字，依靠人腦分析無法處理如此龐大的信息流。

      

      “現(xiàn)在，人工智能和大數(shù)據(jù)正在改變這一切。”李家洋說。

      

      進入“育種5.0”，人工智能成了育種家的“超級導(dǎo)航”。人工智能技術(shù)可以處理海量數(shù)據(jù)，從復(fù)雜的遺傳信息中挖掘出控制性狀的“底層代碼”，并預(yù)測基因修飾后的效果。以前改良一個性狀可能需要十幾年，現(xiàn)在通過人工智能輔助設(shè)計，周期能縮短到幾年。

      

      “以前我們在田里選種子，現(xiàn)在是在計算機上‘算’種子。”李家洋說。

      

      智能培育還包括育種過程的智能化。在“育種5.0”的體系中，無人機和地面機器人化身“全職體檢員”，利用多光譜傳感器對田間作物進行高通量表型采集。海量數(shù)據(jù)匯入云端，人工智能算法能從數(shù)百萬種基因組合中，精準預(yù)測出哪種組合最能適應(yīng)未來的氣候變化，哪種搭配能產(chǎn)生最高的產(chǎn)量。

      

      這種變革將重塑農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)邏輯。暢想未來，農(nóng)場里或許很難再見到揮汗如雨的農(nóng)民，取而代之的是操縱著控制臺的“農(nóng)業(yè)工人”或“生物工程師”。他們管理的不再是簡單的莊稼，而是高度精密的“生物工廠”。

      

      對于消費者來說，“育種5.0”意味著更豐富、更健康的餐桌。從專門為糖尿病患者研發(fā)的低升糖指數(shù)水稻到高蛋白大豆，智慧農(nóng)業(yè)將為個性化營養(yǎng)提供更多可能。

      

      當然，通往“育種5.0”的道路并非坦途。李家洋坦言，目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：不同作物的生長模式差異巨大，基礎(chǔ)研究還需深入；海量的基因型與表型數(shù)據(jù)尚待積累和標準化；跨領(lǐng)域的復(fù)合型人才依然緊缺。

      

      “這是一個需要長期投入的過程。”李家洋給出自己的時間表：計劃用5年左右搭建起智能育種的基本框架，10年左右培育出先導(dǎo)性的智能品種。再過20年，智能育種或?qū)⒊蔀橹髁鳌?/div>