作者:張林 來源:科學(xué)時(shí)報(bào)
5月26日下午，匆匆趕回中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)室的中國科學(xué)院院士李家洋，顧不上吃晚飯，即向其團(tuán)隊(duì)成員布置了一項(xiàng)新的工作內(nèi)容---立即安排一次國內(nèi)有關(guān)育種專家參加的研討會(huì)，討論如何將新發(fā)現(xiàn)的水稻理想株型基因盡快應(yīng)用于水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，發(fā)揮其在培育我國新型高產(chǎn)水稻新品種中的作用。
3天前，國際著名學(xué)術(shù)期刊英國《自然?遺傳學(xué)》雜志和美國《科學(xué)》雜志相繼報(bào)道了由中日科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)的被稱為OsSPL14基因(又稱IPA1基因)的重要成果，這是一個(gè)影響諸多農(nóng)藝性狀、可有效控制水稻理想株型、進(jìn)一步提高產(chǎn)量的關(guān)鍵基因。
李家洋的緊密部署讓他的團(tuán)隊(duì)成員再次感到壓力?！袄罾蠋煹墓ぷ骺偸蔷哂星罢靶缘?，這是一項(xiàng)一開始就針對(duì)水稻生產(chǎn)的基礎(chǔ)性研究?！币晃粓F(tuán)隊(duì)成員對(duì)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者說。
株型是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，理想的水稻株型應(yīng)該具有分蘗少、無無效分蘗、穗大粒多、莖稈粗壯等特征。針對(duì)這一關(guān)鍵因素，李家洋和他的團(tuán)隊(duì)開展了長期的基礎(chǔ)研究，而IPA1(Ideal Plant Architecture 1，即理想株型1號(hào))基因的成功克隆，為塑造水稻理想株型的分子育種提供了有重要應(yīng)用價(jià)值的新基因。在水稻的生產(chǎn)方面，早在3年前，李家洋團(tuán)隊(duì)的長期合作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國水稻研究所研究員錢前，就開始通過雜交方式將IPA1基因?qū)胫饕酒贩N，進(jìn)行培育新品種的工作，目前已經(jīng)得到一些很有前途的中間材料。
基因育種引發(fā)的綠色革命
回溯水稻育種史，每一次重大突破無不與某個(gè)關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)與大規(guī)模應(yīng)用有關(guān)：半矮稈水稻基因的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了水稻生產(chǎn)上的第一次綠色革命；袁隆平在海南島發(fā)現(xiàn)的一株野敗不育水稻，經(jīng)多年努力，在全國大協(xié)作下將三系雜交稻配套成功，再次大幅提升水稻產(chǎn)量。
這次發(fā)現(xiàn)的IPA1基因突變后能使水稻植株具有粗稈、抗倒伏、分蘗少等優(yōu)越性狀，更適合未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，如能很好地利用，將會(huì)大幅度提高水稻產(chǎn)量?！拔覀兺ㄟ^一定面積的田間比對(duì)試驗(yàn)，得出增產(chǎn)10%左右的結(jié)果。但這個(gè)結(jié)果還不精細(xì)，如果在種植條件進(jìn)一步優(yōu)化的情況下，增產(chǎn)幅度還會(huì)提高?！崩罴已笳f。
過去，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，科學(xué)家們更多地關(guān)注所研究水稻材料的新穎性，對(duì)綜合性狀的聚合、對(duì)其應(yīng)用的關(guān)注較少，對(duì)水稻理想株型和產(chǎn)量形成的分子調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)非常有限。然而，株型改良在水稻產(chǎn)量的提高中發(fā)揮著重要作用，無論是雜交水稻育種，還是超級(jí)稻研究，其核心就在于借助水稻株型的改良來實(shí)現(xiàn)水稻單產(chǎn)的躍升。
此前，李家洋課題組通過與錢前的合作，曾發(fā)現(xiàn)并克隆了控制水稻分蘗的重要基因。但這個(gè)基因卻很難用于提高水稻產(chǎn)量，因?yàn)樗跍p少分蘗的同時(shí)，也導(dǎo)致了稻穗變小。于是，課題組開始考慮如何獲得對(duì)產(chǎn)量有綜合正效應(yīng)性狀的材料，如穗子大一些、千粒重多一些，更強(qiáng)壯一些(不易倒伏)，但具備上述性狀的水稻材料很難在生產(chǎn)中找到，而且這種性狀通常是由多個(gè)基因控制的。
2003年，他們在田間實(shí)驗(yàn)里偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有理想株型特征的水稻材料，并分離出控制理想株型的主效數(shù)量性狀基因。該基因的突變能夠在生產(chǎn)上得到科學(xué)家所夢想的諸多優(yōu)良性狀，因而被命名為“理想株型1號(hào)”(即IPA1)。
如果能夠把IPA1基因用于我國目前已有的高產(chǎn)水稻品種上，有望使高產(chǎn)水稻更高產(chǎn)。李家洋指出，過去育種學(xué)家也可能發(fā)現(xiàn)過具有這種理想性狀的材料，但由于不清楚其形成的機(jī)理，很難應(yīng)用于高產(chǎn)新品種的培育。現(xiàn)在對(duì)該基因的作用機(jī)理了解清楚后，就能夠?qū)ζ浼右詰?yīng)用，使其在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮作用。
據(jù)介紹，近年來我國水稻單位產(chǎn)量提升緩慢，重要原因就在于水稻產(chǎn)量受多基因控制、性狀復(fù)雜，而傳統(tǒng)育種技術(shù)難以對(duì)水稻產(chǎn)量相關(guān)基因進(jìn)行有效選擇和聚合，只有通過分子育種技術(shù)加以解決。在目前技術(shù)條件下，理想株型水稻有可能達(dá)到畝產(chǎn)1000公斤。中國現(xiàn)在的水稻平均畝產(chǎn)為400多公斤，如果產(chǎn)量增加50%將達(dá)到畝產(chǎn)近700公斤，中國的糧食問題就能得到有效解決。而要達(dá)到這一目標(biāo)，在發(fā)揮常規(guī)育種技術(shù)的基礎(chǔ)上，必須通過現(xiàn)代基因育種技術(shù)，把抗病蟲、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適、高效等優(yōu)良性狀聚合起來，培育出新的優(yōu)異品種。而IPA1基因的發(fā)現(xiàn)，為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
雖然IPA1基因具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，但廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)上還有很長的路要走。如果把該基因?qū)胍粋€(gè)主要的水稻品種中，其增產(chǎn)潛力有多大？不同的水稻品種具有不同的遺傳背景，這些背景對(duì)該基因優(yōu)異性狀的表現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？這些十分實(shí)際但又非常關(guān)鍵的問題目前還沒有答案。
通常，一個(gè)水稻新品種的培育需要5～10年時(shí)間，然而在激烈的競爭形勢下，各國科學(xué)家都在努力縮短育種周期，特別是在發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制水稻高產(chǎn)基因的時(shí)候。因此，對(duì)李家洋團(tuán)隊(duì)來說，加快眾多優(yōu)良基因的聚合、培育新品種的任務(wù)尤為緊迫。
避免在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用之間“徘徊”
1994年李家洋從美國留學(xué)回國，就職于中科院遺傳發(fā)育所。李家洋與錢前的合作也隨后開始。當(dāng)時(shí)，錢前做水稻研究，李家洋做模式植物擬南芥研究。后來，李家洋根據(jù)國家需求把研究重心轉(zhuǎn)向了水稻育種關(guān)鍵基因的功能研究與利用。
李家洋課題組成員、研究員王永紅告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，李家洋與錢前很早就開始謀劃雙方團(tuán)隊(duì)的研究方向，并始終保持了一種“高姿態(tài)的合作”。正是這種持久有效的合作機(jī)制，為后來的研究成果搭建了平臺(tái)，李家洋團(tuán)隊(duì)做基因克隆、功能分析等上游工作，錢前團(tuán)隊(duì)主要做遺傳材料與育種相關(guān)的工作。
然而，如何準(zhǔn)確定位自身的研究方向，對(duì)于科研人員而言并非一件易事。王永紅說，做基礎(chǔ)研究的要有文章發(fā)表，做應(yīng)用研究的需要出品種，很多人在兩者之間“徘徊”，研究方向時(shí)常發(fā)生改變，這與科學(xué)家對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)及實(shí)際環(huán)境條件有很大關(guān)系。
李家洋認(rèn)為，解決科學(xué)家“徘徊”的最好辦法，就是讓科學(xué)家到涉及重大應(yīng)用的生產(chǎn)領(lǐng)域去尋找基本的科學(xué)問題：不抗蟲，就專門解決抗蟲問題；不抗病，就專門攻克抗病問題。這樣的問題每解決掉一個(gè)，都是應(yīng)用領(lǐng)域的重大突破，也必然是科學(xué)上的重大進(jìn)展?！拔蚁Ｍ@個(gè)基因能夠盡快被應(yīng)用到生產(chǎn)上，這樣也能給做基礎(chǔ)研究的同行一個(gè)示范，就是在從事深入基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也能為國家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出直接的貢獻(xiàn)?！崩罴已笳f，這是他回國十幾年來一直在追求的理想。
發(fā)揮上游引領(lǐng)作用加強(qiáng)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化
回顧我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全保障的歷史，中科院曾作出突出貢獻(xiàn)。上世紀(jì)80年代，由中科院主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)科技黃淮海戰(zhàn)役取得了輝煌成績，受到中央的充分肯定和全國人民的贊揚(yáng)。20多年后的今天，中科院對(duì)中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要貢獻(xiàn)在哪里？這個(gè)問題既像拷問，也像鞭策，一直縈繞在李家洋的心頭，這是作為主管中國科學(xué)院生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)的副院長所必須思考與回答的。
李家洋表示，過去“黃淮海戰(zhàn)役”(指黃淮海中低產(chǎn)田改造??編者)以土、水、鹽堿的治理改造為主，未來這些方面依然是重要內(nèi)容；但從世界農(nóng)業(yè)增產(chǎn)及發(fā)展趨勢來看，最主要的還是優(yōu)異品種的培育。因此，大力發(fā)展上游種業(yè)刻不容緩。
生物技術(shù)是未來全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力之一，也是中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，分子設(shè)計(jì)育種則是未來農(nóng)業(yè)動(dòng)植物新品種培育的必然方向。因此，種業(yè)的發(fā)展事關(guān)未來中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展和糧食安全。中科院要為國家農(nóng)業(yè)繼續(xù)作出貢獻(xiàn)，必須在種業(yè)發(fā)展上有所突破，這是中科院及整個(gè)國家必爭的核心領(lǐng)域。
李家洋認(rèn)為，種子產(chǎn)業(yè)非常復(fù)雜，涉及研究、生產(chǎn)、推廣體系，其價(jià)值鏈貫穿于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的上中下游。中國育種過去注重下游，但對(duì)上游重視不夠。雖然現(xiàn)在的情況已經(jīng)發(fā)生了很大變化，中科院仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)上游育種的研究與布局，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)中下游產(chǎn)業(yè)化的引領(lǐng)示范作用。
今后，中科院將重點(diǎn)發(fā)展種質(zhì)創(chuàng)新和新品種培育等關(guān)鍵核心技術(shù)，如中國科學(xué)院院士李振聲選育的“小偃6號(hào)”，后來誕生出數(shù)百個(gè)小麥新品種；同時(shí)，利用分子生物學(xué)的手段加快基因克隆、作用機(jī)理的研究，推進(jìn)成果向下游轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化；加強(qiáng)與企業(yè)、農(nóng)科院的合作，組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，或成立院屬種業(yè)公司或中心，這些措施將成為中科院加快成果轉(zhuǎn)化的必要途徑。
據(jù)介紹，“十二五”期間，中科院將加大對(duì)重要農(nóng)作物性狀的關(guān)鍵基因的克隆以及機(jī)理研究，并快速把這些成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化為新品種。同時(shí)，中科院還將進(jìn)一步加強(qiáng)生物農(nóng)藥、新型化肥、生物殺蟲劑、土壤、抗旱、節(jié)水等方面的研究工作；培育具有抗病蟲能力強(qiáng)、生長期短、光合作用強(qiáng)等性狀的新品種；加強(qiáng)動(dòng)物遺傳育種的研究；推進(jìn)農(nóng)業(yè)同工業(yè)生物技術(shù)的不斷結(jié)合，從而為新時(shí)期我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步發(fā)揮關(guān)鍵性示范引領(lǐng)作用。
