當(dāng)人類深入到以往不可達(dá)的微觀世界，破解藏在基因里的秘密時，過去一萬年的作物馴化育種史，就正式踏入了飛躍式發(fā)展的時代。從孟德爾建立經(jīng)典遺傳學(xué)至今，一百五十多年的時間，人類在作物育種中取得的進(jìn)步，遠(yuǎn)超過去一萬年的總和。

       在今天，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們育種的水平越來越高，產(chǎn)量、抗逆、品質(zhì)和口感快速進(jìn)步，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)歷史上難以企及的目標(biāo)。

中國農(nóng)科院作科所研究員閆哲在三亞生物育種基地中

       從盲盒到精準(zhǔn)選擇，育種技術(shù)變革史

       “育種的未來依靠生物育種，生物育種的未來，基因編輯技術(shù)將擔(dān)當(dāng)主要角色。”2023年3月19日，海南三亞南濱農(nóng)場，生物育種基地中，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員謝傳曉說。

中國農(nóng)科院作科所研究員謝傳曉

       時值三月，正是三亞農(nóng)作物收獲的季節(jié)，地里的玉米稈已經(jīng)焦枯一片，大豆的豆莢變得飽滿而干燥，育種家?guī)еと藗儯诜珠T別類地收獲每一顆種子，把它們帶回實驗室，鑒定、分析之后，等待下一輪的種植。

       這片生物育種基地建成剛剛一年，基地中種植著眾多育種研究的材料，如耐除草劑的大豆、早熟的水稻、通過分子標(biāo)記選擇的玉米等，這些最新培育的育種材料，向人們展示著最新的生物育種技術(shù)和成果。

       生物育種是一個俗稱，融合了全基因組選擇、基因編輯、合成生物、人工智能等種種現(xiàn)代技術(shù)，也涵蓋了雜交選育等傳統(tǒng)的、常規(guī)的育種技術(shù)，甚至包含了機器學(xué)習(xí)等未來技術(shù)。

       “人類的歷史有兩三百萬年，馴化作物的歷史只有萬年左右，而這萬年漫長歷史中，絕大多數(shù)時間，作物品種的進(jìn)展緩慢。”謝傳曉說。

       一直到經(jīng)典遺傳學(xué)建立，人類開始有意識地基于遺傳的規(guī)律去育種，育種技術(shù)也開始進(jìn)入了快速變革的時代。謝傳曉說，“在遺傳育種出現(xiàn)后，大部分作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等，出現(xiàn)了成倍的增長，雜交優(yōu)勢利用技術(shù)出現(xiàn)以后，產(chǎn)量水平再次跨越了一大步，再到現(xiàn)代基因技術(shù)、分子輔助選擇技術(shù)等出現(xiàn)，育種變得更加精準(zhǔn)、快捷。”

       不論是傳統(tǒng)時代的作物馴化，還是遺傳育種、雜交育種等，育種家們只是根據(jù)田間表型選擇，像在盲盒中選擇，在成千上萬的個體中，尋找那些符合人類需求的有益變異，將它們挑選出來，一代代選育，再固定下來，成為更加優(yōu)秀的作物。而當(dāng)人們開始了解基因，一步步解開基因的秘密時，根據(jù)基因的生物學(xué)機制進(jìn)行的選擇，育種家們可以精準(zhǔn)地知道哪一個基因造成了怎樣的變化，從而精準(zhǔn)選擇出更為優(yōu)異的品種。

       “過去的常規(guī)育種，需要五到八年，從百萬級材料里才能育成一個新的品種，而現(xiàn)代生物育種技術(shù)，則可以把時間縮短到兩到三年，而且材料規(guī)模小，大大提高了育種效率。”中國農(nóng)科院作科所研究員閻哲說。

       尋找“美味基因”，培育“美味水稻”

       人類無法直觀地感受到微觀世界的變化，但人類會創(chuàng)造和使用工具，借助現(xiàn)代技術(shù)和高科技設(shè)備，人類可以深入到分子、原子的世界，了解它們隱藏起來的一切。

       攻讀博士學(xué)位之后，謝傳曉就逐漸進(jìn)入生物育種的領(lǐng)域，從發(fā)現(xiàn)一個個感興趣的性狀開始，一步步探索、假設(shè)、求證、推翻、再假設(shè)、再求證，從定位到一個基因開始，一步步發(fā)現(xiàn)它的功能，探索它發(fā)揮作用的原理，利用原理培育新的材料和品種。微觀世界向他打開大門，門里那個瑰麗奇幻的世界讓人著迷，而用那個世界中的一切，創(chuàng)造一個屬于自己的品種，看著它從試驗田里走出，走進(jìn)農(nóng)民田里，為農(nóng)民增產(chǎn)增收，“這是我們做農(nóng)業(yè)科技的人，獨有的成就感。”

       這樣的科學(xué)家還有很多。2022年，中國農(nóng)科院作科所所長周文彬團隊，在水稻中發(fā)現(xiàn)了一個特別的基因，這個基因可以同時提高作物的光合作用效率和氮素利用效率，并促進(jìn)提前抽穗。用容易理解的表達(dá)方式來說，僅這一個基因，就可以讓水稻產(chǎn)量提高30%以上，可以讓小麥產(chǎn)量提高20%左右，且縮短整個生育周期。

       在生物育種基地，水稻正處在抽穗開花的季節(jié)，每天中午，中國工程院院士萬建民團隊成員、中國農(nóng)科院作科所研究員趙志超，都要帶著學(xué)生和工人們，一起給水稻去雄、授粉。在這里，他們正在培育具有低血糖生成指數(shù)、低蛋白等特點的功能保健水稻品種，而在此之前，他們已經(jīng)從事多年的“美味水稻”“功能水稻”的培育。

       “隨著生活水平的提高，人們對于味道的追求越來越高，過去那種只為飽腹、滿足植物蛋白攝入需求的時代一去不返了，在食物極大豐富的時候，人們對糧食的需求也逐漸轉(zhuǎn)向了風(fēng)味，味道不好的糧食，就算別的性狀好，也很難被人們接受。”趙志超說。

       水稻中存在著“美味基因”，也就是調(diào)控風(fēng)味的基因，找到它們，利用他們，正是科學(xué)家們培育“美味水稻”的關(guān)鍵。

       進(jìn)化與適應(yīng)，驚心動魄的物種戰(zhàn)爭

       人類對作物的馴化和選育，永遠(yuǎn)都有新的需求，而與病蟲害的戰(zhàn)爭，是永恒的主題之一。

       生物基地的一角，一片特別的水稻肆意生長，和普通農(nóng)田中行列分明的水稻不同，這里的水稻密集而凌亂，這里是水稻高抗新材料的試驗田。試驗田的負(fù)責(zé)人、中國農(nóng)科院作科所副研究員紀(jì)志遠(yuǎn)介紹，他們在野生稻中挖掘到了一個抗白葉枯病的基因，可以有效控制水稻的重要病害白葉枯病，如今正在培育抗病的育種材料。

水稻田里，工人正在給水稻去雄

       “與病蟲害的斗爭中，生物技術(shù)有著廣闊的空間。”紀(jì)志遠(yuǎn)說。

       優(yōu)秀的基因不僅僅來自于野生稻，也有可能出現(xiàn)在人們種植已久的栽培稻中。

       在中國農(nóng)科院作科所副研究員鄭天清負(fù)責(zé)的稻田中，同樣種植著一片抗白葉枯病的育種材料。鄭天清是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻分子設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團隊的一員，他所在的團隊長期從事生物育種工作，在過去很多年中，團隊開展了基于高代回交育種技術(shù)體系和全球3000份測序水稻資源數(shù)據(jù)庫的基因挖掘和種質(zhì)創(chuàng)新工作。他告訴記者，“我們從栽培稻高代回交育種材料中，挖掘到了一個廣譜抗白葉枯病的基因，有趣的是，它的雙親并不抗病，但它們的后代中卻出現(xiàn)了抗病性，我們正是在這個抗病的后代中，找到了這個基因；類似的還有雙親遲熟但是后代顯性早熟、雙親早熟但后代超親感光等眾多案例。”

       怎樣確認(rèn)作物中那些優(yōu)異基因？科學(xué)家們利用生物技術(shù)，對測序資源進(jìn)行鑒定和挖掘，找到真正起作用的那個基因，這樣的工作，在無數(shù)個實驗室和田間進(jìn)行。

       鄭天清介紹，他所在的團隊，基于全球3000份測序水稻資源的基因組信息，輔以生物技術(shù)手段，還聯(lián)合挖掘出了抗水稻二化螟的基因。在驗證過程中，他們用基因編輯技術(shù)，敲除了該基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原本抗蟲的栽培水稻地方品種材料，變得感蟲了，這正好證明，該基因正是水稻自身在長期馴化過程中獲得的對抗二化螟這一重大害蟲的重要武器。

       一次重大的轉(zhuǎn)折，讓精準(zhǔn)育種成為可能

       基因編輯技術(shù)夢想的萌芽，出現(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代，在當(dāng)時，人們猜測，可能通過人為手段對基因進(jìn)行精準(zhǔn)的操作干預(yù)，實現(xiàn)某些原本不能實現(xiàn)的目標(biāo)，比如治療某些原本無法治療的疾病。

       二十世紀(jì)九十年代，鋅指核酸酶等第一代基因編輯技術(shù)正式出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)，真的可以人工定點干預(yù)某些基因，但技術(shù)系統(tǒng)難度大，應(yīng)用性受到限制。

       到二十世紀(jì)九十年代末期，效應(yīng)物核酸酶技術(shù)出現(xiàn)，解決了基因編輯的關(guān)鍵性難題，使得基因編輯變得可控。2012年，從古細(xì)菌適應(yīng)性免疫原理與機制研發(fā)CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)，徹底改變了基因編輯的技術(shù)進(jìn)程，基因編輯得以大范圍進(jìn)入植物、動物、微生物與人類醫(yī)學(xué)與健康等各個研究領(lǐng)域。而發(fā)明該技術(shù)的科學(xué)家，在八年后的2020年獲得了諾貝爾獎。

       “自此之后，我們不僅可以認(rèn)識基因，了解基因，還能夠按人的意志來精準(zhǔn)寫入和修改基因，這是以前想都不敢想的事情。”謝傳曉說。

       在作物育種中，基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，使得育種技術(shù)得以實現(xiàn)迭代性進(jìn)步，成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流中主流技術(shù)，“除了少數(shù)抗蟲、小部分抗除草劑之外，基因編輯能夠做到大部分事情，而且還能做過去那些技術(shù)根本無法做到的事情。”謝傳曉說，“比如袁隆平先生曾經(jīng)提出過第五代雜交技術(shù)的設(shè)想，即一系法，育成性狀不會分離的第一代雜交種，把雜種優(yōu)勢固定下來。但傳統(tǒng)的方法完全不可能實現(xiàn)。一系法要成功，就要在同一個植株中，同時創(chuàng)造四個變異，這四個變異其實在自然界中都有，但常規(guī)方法無法把它們同時聚合在一起，基因編輯技術(shù)為這一設(shè)想的實現(xiàn)，提供了技術(shù)基礎(chǔ)。事實上，已經(jīng)有國內(nèi)國外的科學(xué)家，通過基因編輯同時把四個基因改變了，再通過引入無融合生殖基因，基本實現(xiàn)了一系法的技術(shù)夢想。”

       和常規(guī)育種及過去的生物育種技術(shù)相比，基因編輯更加精準(zhǔn)。謝傳曉介紹，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)了一個變異，想要利用它育成更好的品種時，通過雜交等常規(guī)方法也可以實現(xiàn)，但這是一個漫長的過程，要經(jīng)過多代的選育才有可能成功，且仍存在連鎖累贅引入不育性狀基因的問題，而基因編輯則可以精準(zhǔn)地進(jìn)行修飾操作，極大地縮短了育種的進(jìn)程，在更快的時間內(nèi)得到同樣的結(jié)果，且能克服連鎖累贅難題。“一個是盲盒中摸索，一個是瞄準(zhǔn)目標(biāo)，精準(zhǔn)施策，結(jié)果一樣或更好，但效率完全不同。”謝傳曉說。

       種業(yè)翻身仗，生物技術(shù)是關(guān)鍵

       往年三月，在三亞進(jìn)行南繁加代的育種家們，已經(jīng)開始逐漸回程。中國農(nóng)科院作科所研究員邱麗娟團隊的老師和學(xué)生們，也是如此。但今年，他們還要在這里繼續(xù)工作很久。

       生物育種基地中，收獲的大豆被晾曬在院子里，工人們正在仔細(xì)挑出那些沒有長好的豆莢，把成熟健康的豆子挑出來。收獲后大豆地里，新的一代已經(jīng)早早種上，團隊成員、中國農(nóng)科院作科所研究員閻哲還要在這里等待新一輪的收獲。

中國農(nóng)科院作科所研究員閆哲

       我國是糧食進(jìn)口大國，尤其是大豆，我國的大豆需求常年在1.2億噸以上，進(jìn)口量接近億噸。近年來，我國一直在推動大豆等油料作物產(chǎn)能的提升。尤其是2021年以來，在全國推廣玉米大豆帶狀復(fù)合種植模式，提高大豆的自給率。

       然而，由于缺乏耐除草劑品種，無論是帶狀復(fù)合種植模式，還是輪作模式，都需要投入更大的人力物力進(jìn)行田間管理。

晾曬的大豆種子

       在生物基地，一種名為中黃6106的大豆材料正在進(jìn)行規(guī)?；嚪N，它是利用生物育種技術(shù)育成的耐除草劑大豆材料。閻哲介紹，在規(guī)?；嚪N中，中黃6106的除草效果可以達(dá)到95%左右。可以幫助大豆生產(chǎn)實現(xiàn)現(xiàn)代化、機械化生產(chǎn)。

       在距離大豆種植區(qū)不遠(yuǎn)的另外一塊地里，同樣耐除草劑的玉米也正在收獲，這些玉米是謝傳曉團隊的成果。這里還進(jìn)行著各種不同的實驗，玉米地的負(fù)責(zé)人掰開一個玉米外面的葉子，露出紅黃相間的玉米粒，這是分子標(biāo)記的痕跡，紅色的玉米粒，是標(biāo)記成功的，它們將再一次進(jìn)入實驗室，進(jìn)行分析、鑒定，而黃色的是未成功的。

小小的標(biāo)牌中，顯示著這株玉米從開始培育到現(xiàn)在四個世代的記錄

       和大豆類似，我國玉米的生產(chǎn)缺口同樣巨大，近年來，每年進(jìn)口的數(shù)量達(dá)到了兩三千萬噸，糧食安全警鐘長鳴，而種業(yè)起著至關(guān)重要的作用。

       “生物育種是打贏種業(yè)翻身仗的關(guān)鍵。”在一次公開采訪中，中國工程院院士萬建民說。

       生物育種的未來，是否會重新進(jìn)入盲盒

       現(xiàn)代社會中，科技的更新迭代正在變得越來越快，育種技術(shù)也是如此，謝傳曉團隊幾年前研發(fā)的技術(shù)，如今已經(jīng)有了更進(jìn)一步的提升。

       而新的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)，他們甚至可以在田間操作中，完成基因編輯的工作，“做生物育種，有大量實驗室的工作，在過去，我們時常想，能不能在種地的過程中就把實驗室的工作給做了？我們?yōu)榇俗隽舜罅康墓リP(guān)，現(xiàn)在這個目標(biāo)實現(xiàn)了，在田間授粉就可以實現(xiàn)基因編輯的效果了。”謝傳曉介紹。

       更多的技術(shù)在不斷進(jìn)入育種技術(shù)中，如人工智能、機器學(xué)習(xí)等，這些未來技術(shù)將會給育種帶來怎樣的改變，值得期待。

       “和大多數(shù)技術(shù)一樣，育種技術(shù)也有螺旋式上升的問題。”謝傳曉說，“在雜交時代，育種家們宛如在盲盒中摸索，根據(jù)性狀選擇，部分解決了問題?；蚓庉嫾夹g(shù)的出現(xiàn)，使得我們可以精準(zhǔn)育種。但新的技術(shù)出現(xiàn)后，可能又會回到那個黑箱子里，不過這一回是通過人工智能、機器去選擇。如果接著發(fā)展，再往后的技術(shù)，是不是可以使機器更加高效地做到精準(zhǔn)育種，我想，這是可以實現(xiàn)的。”

       謝傳曉相信，未來的育種，會更快捷，更準(zhǔn)確，而這些都要依賴于生物育種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。