院士科普|从实验室到餐桌：让育种更精准，让粮食更安全

  从事植物分子遗传学研究几十年，常有人问我：“您天天跟植物基因打交道，到底在研究些啥？”其实这个问题的答案，就藏在我们日常的餐桌里。

  我们中国人常说“种瓜得瓜，种豆得豆”，这背后藏着遗传学最本质的规律。我常跟学生讲，“像”就是遗传，“不像”就是变异。我们的研究就是要弄明白：植物从上一代传到下一代，哪些特征会保留？哪些会改变？如何有效利用好这些变化与保留？

植物分子遗传学家，崖州湾国家实验室主任，2018未来科学大奖-生命科学奖获奖者李家洋

  就拿大家熟悉的作物来说，玉米棒有的粗如手臂，有的细似手指；西红柿有拳头大的，也有樱桃般小的。它们再怎么变，还是玉米和西红柿——这就是遗传的“像”；但大小、口感的差异，就是变异的“不像”。我们团队的工作，就是破解这些变异的密码：为什么会有这些变化？如何让它们变得产量更高、品质更好、营养更丰富？

  在现代生命科学里，这些看得见的特征叫“表现型”，本质是由基因决定的。基因决定所有的性状，比如植物的高矮、分支的多少、大小、根系深浅等。每种作物都有几万甚至几十万个基因，我们的任务就是给这些基因“分工”：哪个管产量？哪个管口感？有时多个基因共同控制一个性状，有时一个基因能影响好几个特征，就像一个多面手。

拟南芥（图片来自网络）

  面对这么多基因，研究该从何下手？我们有个“省时法宝”——模式植物。不同的物种都有相似性，我们可以找一个生长周期短的“模式材料”。比如拟南芥，正常4周就能完成一个生长周期，调整光温后甚至3周就行，堪称植物研究的“小白鼠”。

  对水稻这种生长周期较长的作物，我们也有办法。在光温水热营养适宜的条件下，水稻60天就能收获，一年能种5-6代，大大加快了研究进度。我回国初期，就是从拟南芥起步，后来转向水稻——毕竟解决粮食问题，才是我的初心。

  找到基因后，怎么“改造”它们？核心技术是基因诱变与基因编辑。实际上是要改变基因本身的结构，就是改变基因密码。这就像改文章，换几个字，表达的意思就不同了。不过植物基因编辑比动物难，植物细胞有“钢筋混凝土”做的细胞壁，像坚硬的外壳，很难把外来基因打进去，DNA的高效递送系统很困难。而且植物要进行光合作用，有叶绿体这套特殊的“能量工厂”，这也让研究更复杂。

李家洋院士在田间

  上个世纪90年代我从美国回国时，国内植物分子遗传学还在起步阶段。我当时定下三个目标：建立找基因的方法、弄清基因的功能、提出分子设计育种的概念。

  2003年，我们团队在《自然》杂志发表了首个水稻生长发育基因的研究，建立了成熟高效的水稻基因克隆体系。这一步很关键——就像给基因编了一本“字典”，大家想找哪个基因，都能按图索骥。在此基础上，我们提出分子设计育种：想要高产就强化产量相关基因，想要优质就调控品质基因，8-10年就搭建起了初步系统。

  现在这些研究已经走进生活：我们培育的低GI水稻，适合糖尿病人群；双季早粳稻测产亩产超600公斤，又抗逆又好吃。育种家最大的贡献就是用最少的资源创造出最高产最优质的品种，并且能够适应环境变化。这不仅是基础科学，更是国家战略。

  未来，我们想实现“智能作物智能培育”。比如让水稻遇到高温时，抗高温基因自动“打开”，平时则专心生长发育增产量。这种“基因智能开关”，能解决过去高产不抗病、抗病不高产的矛盾。我预计，10年左右就会有先导性的智能品种出来，5年基本框架就能搭建成功。

  从事科研几十年，我最深的感受是农业的发展是无上限的。未来的农民可能是懂人工智能的“农业工程师”，未来的餐桌会有更多量身定制的健康食材。而这一切，都始于我们对那微小基因的不懈探索。毕竟，谁能想到，改变几粒种子，就能改变亿万人的生活呢？

  （作者：植物分子遗传学家，崖州湾国家实验室主任，2018未来科学大奖-生命科学奖获奖者李家洋；光明网记者宋雅娟 蔡琳采访整理）