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水稻育种专家李家洋:解决温饱后 分子育种要解决隐性饥饿
中国种子网  2018-11-23 09:30:25   来源:澎湃新闻   【


  “仰望星空,回归稻田”,在11月17日北京举行的未来科学论坛青年对话上,主持人这样形容中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、中国科学院院士李家洋。

  李家洋1956年7月出生于安徽省。1982年李家洋在安徽农学院(现安徽农业大学)取得学士学位,随后进入中国科学院遗传所攻读硕士。一次偶然让他获得了去美国留学的机会,在导师的支持下,他赴美留学并取得了博士学位,后进入康奈尔大学汤普逊植物研究所进行博士后研究工作。1994年李家洋回国进入中科院,从事水稻研究至今。
  李家洋通过图位克隆的方法,分离鉴定了决定水稻理想株型的主效基因IPA1,为系统性地研究水稻特定性状的分子机制做出了开创性的贡献。2018年他与水稻育种专家袁隆平和张启发,共同获得了未来科学大奖的生命科学奖。
  分子育种是指分子水平上的遗传育种,是传统育种与基因工程技术相结合的产物。分子育种的主要领域包括,基因定位、分子标记辅助育种、全基因组选择、基因工程和遗传转化。
  同属于基因工程领域,目前李家洋聚焦的是水稻这一作物中不同品种的基因研究,过程中涉及对基因的修改或改变,不涉及引入外源基因。
  水稻田里的“大侠梦”
  “历史机遇很重要。我小学的时候碰上了文化大革命,但后来我赶上了高考改革和改革开放。”李家洋表示,“我们有机会上大学、出去留学,接触到了世界的先进技术水平和其他发展状况,知道了自己国家的差距。而这个差距归根到底,还是技术发展的落后。”
  1991年博士毕业后,李家洋拒绝了哈佛医学院的录取,选择继续钻研分子植物学。李家洋回忆道,毕业之前他在中国留学生的一个聚会上,遇到了一个前辈跟他分享了“不太成功的”归国经验,并告诫他需要慎重考虑,因为国内还没有做分子植物学这些先进科学的条件。
  “既然这样我就告诉自己,不要有太高的期望,回国后要做一块铺路石。不管是在大道上的,还是掉在一个小沟里的。”1994年李家洋回国进入中科院,踏上水稻研究之路,至今已24年。
  尽管到目前为止,李家洋带领的团队培育出的20多个水稻新品种广受农民认可,但他本人却很少在媒体和公众场合公开露面。相比起在水稻田里检查一株株作物,在上百人的会议现场作报告对他而言则陌生许多。在与年轻人交流的整个过程中,李家洋显得有些紧张,甚至对拿话筒的方式都很生疏。他夹着胳膊,有时候甚至将话筒靠在了胸前,并时不时用左手撑住自己拿话筒的右手。李家洋的讲话声音很轻,每一次停顿似乎都能感到他在努力想下一段话要怎么开头。只有在讲到植物激素、理想性状、调控基因时,他才放松了一些,表达也更为流利。直到坐在位子上与青年对谈时,他还会时而左右晃晃膝盖,似乎是在排解紧张。
  李家洋向在场的年轻人分享了自己科研之外的业余生活??看武侠小说。他说自己最喜欢武侠人物有三个,均来自金庸笔下。一个是《射雕英雄传》中的郭靖,郭靖总是被大家认为天资不是最聪颖的,但有“侠之大者为国为民”的决心,又很努力,哪怕自己受到损失也在所不辞。其次是《神雕侠侣》中的杨过,杨过变成大侠是因为他愿意为人排忧解难。两个人物做事的态度都是他非常欣赏的。
  “还有一个人物我也很喜欢,可能比较有争议,就是令狐冲。”李家洋说,令狐冲有一个很好的特质,就是他认为是应该做的事他就会去做;当他认为这件事没有错也没有危害社会,他就会继续做下去。自己很欣赏这份执着的“侠气”。分享自己喜爱的武侠时,李家洋的神情不再紧张,聊起天来也更加放松。
  在未来科学论坛前一天的学术报告会上,李家洋还详细介绍了自己的获奖研究。他指出,水稻的产量由有效的穗数、每个穗子上产的粒数和粒重等要素决定。因此,为提高水稻的产量潜力,水稻育种学家曾提出理想株型的新概念,特征包括分蘖适中、没有无效分蘖、穗大、秆粗、根系发达等。李家洋通过图位克隆的方法分离鉴定了决定理想株型的主效基因IPA1,IPA1 是半显性基因。在理想株型材料ipa1中,IPA1发生突变后影响了其表观遗传调控位点,形成了ipa1品系的优良农艺性状。
  常规株型与理想株型比较
  李家洋在学术报告最后表示,未来拥有优质、高产、抗倒伏等特性的水稻将引领“第二次绿色革命”。
  第一次绿色革命始于上世纪60年代,“第二次绿色革命”的基本出发点主要是逆转第一次绿色革命所带来的负效应。1998年,中国科学院院士李振声提出农业科研领域的主要目标之一,是为“第二次绿色革命”准备基因资源。2001年,农业部“948”重大专项“参与全球水稻分子育种计划研究”启动。项目实施过程中,培育抗病、抗虫、抗逆、营养高效、高产、优质等性状于一体的“绿色超级稻”的想法初具雏形,通过具有新的优良性状的品种培育和技术推广,减少化肥农药、水及劳动力的投入,做到资源节约,环境友好,从而实现农业生产方式的根本转变。
  在第一次绿色革命时,多种高产小麦和水稻品种的栽培,使得传统植物育种理论和各种农业措施在作物改良中的应用达到了顶点,对农业产生了深远的影响。1950年至1984年墨西哥的小麦产量增加了400%,同期印度尼西亚的稻米产量翻了一番。而中国从1982年到1991 年10年间农业产量每年增长8%,成为世界上最大粮食生产国。人们用“绿色革命”这个词,来描述稻米和小麦产量2~3倍的增长对社会、经济以及营养等多方面产生的巨大影响。但这场“绿色革命”在为人称道的同时也被人批评。新品种在亚洲的应用迅速扩大,但新品种比传统作物需要更多的化肥和灌溉,对水和肥变化的反应也更敏感。由于这些特点,不良的气候、大量能源的消耗和全球性的经济不景气,显着减缓了绿色革命前进和步伐。
  分子植物的未来:定制化育种,大数据监控
  “在我们那个年代,最重要的问题就是吃饱。现在吃饱已经不是主要问题了,但是很多人依然面临着‘隐性饥饿’的问题。”李家洋在学术报告会上展望水稻育种之后的发展方向,向大家介绍了“Harvest plus(收获+)”的概念。
  中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、中国科学院院士曹晓风也表示,在座的年轻人没有体会过挨饿的感受,但是现在譬如营养过剩、营养不均衡等新问题也逐渐显现了出来。
  隐性饥饿是指由于营养不平衡或者缺乏某种维生素及人体必需的矿物质,同时在其他营养成分上过度摄入,从而产生隐蔽性营养需求的饥饿症状。2015年,中国约有3亿人口面临隐性饥饿问题。
  在李家洋看来,这一问题为分子育种未来的发展指了一个方向??以高产、优质为基础的定制化设计育种。他认为,分子设计育种是未来的技术。实际上有些根据大众需求定制的大米已经做到了,比如口感比较好、优质、长粒的大米。目前他的团队正考虑设计研究抗性淀粉含量合适的水稻品种,可以让糖尿病人安心吃米饭。根据国际上的一些标准,糖尿病人每天吃20克抗性淀粉对身体非常有利,血糖比较平缓。那么就可以通过设计育种让人们吃这种粮食时既能有饱腹感,对血糖的影响也比较平缓稳定。
  “我们就可以定向培育一个含有约10%的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉。”李家洋表示。
  除了在营养上需要“定制化”,水稻还面临着客观生长环境的问题。上海生命科学研究院植物生理生态研究所所长、中国科学院院士韩斌介绍,全球气候变暖使得极端天气增多,植物“来不及”通过古老的方式慢慢适应。
  “过去我们的植物都是经过千年万年逐渐适应环境的,”韩斌表示,“但从这几十年的变化来看,一会儿来个炎热、干旱,一会儿来个虫害,将来的水稻必须要有新的(品种)。”
  韩斌表示,过去靠育种学家传统的方法在实践上需要的时间很长,现在有基础辅助生产的办法,可以有目的地把不同的优良性状聚在一起,比如就抗热抗旱等问题,是否有可能通过克隆耐热基因的办法获得新品种。
  智能化的育种设计还需要有智能化的技术支撑。谈起现在包括人工智能、大数据等现代技术,育种专家们
  “未来我们要加速进行品种的智能化设计,就需要一个高通量的筛选手段。”韩斌表示,现在育种家们在田间考察时还是习惯带一把尺子用自己的肉眼去看,毕竟现在的无人机如果都用在田间进行近距离拍摄,从环境上和成本上暂时还不太现实。如果未来先进的仪器设备能够实现更高程度的自动化感应,同时将单位面积里不同单株的性状快速全面地考察出来,将对育种家鉴定优良基因起到很大的帮助。
  曹晓风则提出智能化技术也许可以实现“智能化种植”,她认为每一块土地所含的离子和养分都是不一样的,就像一把钥匙开一把锁,理论上是可以找出一块土地最适合种什么样的作物。应当通过计算机将土地和环境的所有数据、信息和理论通过大数据整合起来。长远来说,她看到的理想状态是,假如有一块地缺水了,智能技术可以把这一信息反馈回(终端),农民在家就能从电子设备上接收到反馈,并下达指令进行自动化浇水。
  “目前我们还要在基础科学上进行大量研究,并且和其他学科实现交叉,”曹晓风表示,“最终我们希望能够让农民在家里享受到高科技带来的便利。”

作者:徐路易    来源:澎湃新闻     编辑:bianji2    讨论:[农业论坛]
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