用基因技术设计“未来水稻”

　　图为位于深圳大鹏的中国农业科学院深圳农业基因组研究所水稻试验田。

　　中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员在做育种实验。

　　第19届国际植物学大会活动之一——2017年国家自然科学基金委员会与国际水稻研究所联合研讨会日前在深圳举办。

　　本报记者

　　喻 剑摄

　　第19届国际植物学大会活动之一——2017年国家自然科学基金委员会与国际水稻研究所联合研讨会日前在深圳举办。大会上，来自国内外水稻研究领域的百余位高水平专家就进一步挖掘更多产量、株型、抗性、肥水利用、品质营养等高效等位基因，创制适宜中国与东南亚地区的新种质，应对气候变化，开发可持续栽培模式等多主题展开交流研讨——

　　水稻养育人类万年，是当今世界过半人口的主食。水稻种植凝聚着人类的心血与智慧。国际水稻研究所等机构推动“第一次绿色革命”，中国育种学家探索杂交育种，都曾为水稻“高产、稳产、优质、高效”作出巨大贡献，成果惠及亚非17个国家的几千万稻农。

　　基因技术为水稻加速“升级换代”奠定了基础。1998年,多国科学家启动了国际水稻基因组测序计划，2004年绘制完成水稻基因组序列全图，并相继在技术平台、重测序、功能基因的克隆和调控网络解析方面取得系列重要成果。近年来，随着高通量、高精度基因测序技术的发展，人们已经可以一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，并从中筛选出有价值的信息。水稻从传统“经验育种”向现代“精确育种”跃升，设计“未来水稻”成为可能。

　　从常规育种到分子设计育种

　　以基因技术为核心的分子设计育种，让水稻育种周期更短、更有针对性，代表了水稻育种的发展方向

　　何为“未来水稻”？这得从水稻育种说起。长期以来，水稻育种主要利用常规育种技术，选用两个在遗传上有一定差异、性状又能互补的水稻品种进行杂交，在后续世代连续选择符合育种目标的品系，或直接选择具有明显优势的第一代杂交种用于农业种植。

　　杂交品种常常比他们的亲株单产更高、更耐寒、抗倒伏性更强。这种“杂种优势”在农业中很普遍，在水稻种植中尤为明显。过去几十年间，常规育种技术的进步显著增加了水稻产量，彰显“杂种优势”的应用价值。“杂交水稻之父”袁隆平院士近年来相继推出“Y两优900”“超优千号”等“超级杂交稻”品种，不断刷新单产纪录，亩产已经突破1000公斤。

　　“杂种优势”由水稻的基因决定，一项分析显示，与能量代谢和传输相关的基因在高产杂交稻品种LYP9中特别活跃，说明这些基因可能在“杂种优势”的研究中特别重要。

　　水稻的基因有着丰富的多样性和复杂的作用机制——在不同水肥条件和气候环境种植同样品种的水稻，长出来的稻子从外观到产量可能相去甚远。多年来，科学家开展广泛国际合作，目的就是阐明水稻基因组所有基因的功能及重要农业性状等位基因的功能多样性,并将研究成果运用到水稻遗传改良中。

　　用基因技术改变水稻育种方式，有更多的现实考量。统计数据显示，受全球人口增长和可耕地总面积减少的影响，未来20年，水稻产量必须成倍增长才能满足全球需求。以基因技术为核心的分子设计育种，让水稻育种周期更短、更有针对性，代表了水稻育种的发展方向。

　　除丰产性之外，抗病性、优质性、广适性等特性也是水稻育种学家们不懈追求的目标。在分子育种时代，科学家可通过研究、设计不同农艺性状的基因，来改善水稻植株，培育出“超级稻”的升级版——“未来水稻”。在“超级稻”的基础上，“未来水稻”还将具备高营养、多功能等特点，稻米食用者将有更多细分化、个性化的选择方案。

　　基因组数据平台免费开放

　　3000份水稻核心种质基因组原始测序数据的开放，为相关研究提供了庞大的数据库，有助于突破相关技术瓶颈，全面提升我国乃至全球水稻基因组研究和分子育种水平

　　在2017年国家自然科学基金委员会与国际水稻研究所联合研讨会上，多名科学家就分子设计育种技术、水稻种质基因组测序数据的利用等主题作了报告。中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员徐建龙在交流中称，他们从3000份测序的水稻核心种质中挖掘抗旱性和耐低氮能力强的亲本，通过基因定位、基因聚合、标记追踪等技术，初步筛选出抗旱性与耐低氮聚合于一体的品种，为水稻抗逆育种创制了中间材料。

　　这3000份已测序的水稻核心种质基因组，来自由中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因共同完成的“3000份水稻基因组”项目成果。这是迄今为止全世界最大的植物基因组测序项目，包括来源于中国的500份代表性材料，以及国际水稻研究所收集的来源于89个国家的2500份材料，代表了全球25万份水稻种质基因的多样性。这些材料的基因组序列等信息，通过国际水稻信息学联盟和“云之稻”平台免费向国内外研究者开放。

　　中国科学院院士、水稻分子育种专家李家洋认为，“3000份水稻核心种质基因组原始测序数据的开放，为水稻基因组研究提供了庞大的数据库，有助于突破水稻复杂性状分子改良的技术瓶颈，全面提升我国乃至全球水稻基因组研究和分子育种水平”。

　　基因组测序数据库相当于为研发服务的标准化公共基础设施。未来，更多领域、更深入、更精细的基因重测序，将围绕具体水稻科研项目持续展开。

　　人工智能为研发提速

　　定向设计水稻品种可又好又快地实现新品种培育，还能为米饭在“主食”之外增加“营养品”的身份……高新科技对整个农业产业的颠覆式改造将指日可待

　　不久前，一项历时16年的科研深耕结出硕果。李家洋和中国农业科学院深圳农业基因组研究所所长钱前带领的团队利用基因技术对水稻进行分子标记设计育种，培育出“既有南方籼稻产量，又有北方粳稻品质”的籼粳稻杂交新品种。

　　分子设计育种已经让水稻实现高产与优质得兼。钱前认为，定向设计水稻品种可又好又快地实现新品种培育，能够大规模增加水稻品种。“大米口感好不好主要取决于两个基因。弄明白这一点,我们就可以对不同品种进行相应的置换和改造,得到想要的口味。”

　　“去年底，我们找到了某个基因,用它可以培育出高产高抗性淀粉的水稻,适合糖尿病人食用。”李家洋说，“在不久的将来，这个技术会有重大突破，我国1亿多位糖尿病患者将因此受益”。

　　定向设计还将为米饭在“主食”之外增加“营养品”的身份。未来，彩色米、富含特定营养元素的“功能水稻”也将走出实验室，摆上百姓餐桌，创造并引领人们对水稻的颜色、形状、品质、营养等方面的个性化需求，提高人们健康水平。

　　在长年累月的研究中，我国科学家已经确认水稻大量农艺性状的功能基因及其调控网络。有统计显示，近5年来，《细胞》《自然》《科学》等国际顶级学术期刊发表的水稻基因文章，有40%来自于中国科学家，反映了我国在水稻基因组学领域的大幅进步。

　　在我国唯一专门从事农业基因组学研究的国家级研究所——中国农业科学院深圳农业基因组研究所，多个研究团队在植株分蘖数调控网络、二代基因组测序的重要算法等项目取得多项国际领先成果。这个研究所配备了一个高性能计算中心作为硬件支撑——可同时组装10个农业大基因组，同时运行500个重测序计算，存储5000套基因组数据，实现超大规模农业生物信息学计算。

　　不过，从实验室研究成果到商业化产品，需要经过中间试验、环境释放、生产性试验、安全证书申请等环节，这一过程至少需要10年以上。

　　在国际上，已有公司超前性地引入人工智能技术，为“未来水稻”产品研发加速。美国Atomwise公司开发的技术能够通过强大的深度学习算法和超级计算机，在数百万个潜在目标中分析、预测并找出可能会对病虫害控制产生积极影响的分子。该技术还通过识别分子间相互作用模式进行深度自我学习，提高预测准确度。

　　高新科技对整个农业产业的颠覆式改造将指日可待。农民将通过移动设备指挥传感器、机器人、卫星和航空成像等设备，通过大数据分析及人工智能开发出最新技术耕地种田；一线大都市将工业化、大规模地推进立体农业，使城市空间成为未来食物的主要来源地之一；农业与餐饮、休闲、科研、教育等领域跨界融合的新业态将愈发丰富，农民将通过提升服务获得超额回报，农业生产和消费者之间的信息隔阂将逐步消除……