本報記者 馮麗妃
12月的北京天寒地凍，但北五環(huán)中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(以下簡稱遺傳發(fā)育所)的一座科研樓內(nèi)，水箱里的幾尾銀鯽卻游得歡快。
這幾尾魚是中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院水生生物研究所研究員桂建芳團隊千里迢迢從武漢帶來的“高科技”新品系。“大一點的是兩歲半的‘中科6號’，能夠讓皰疹病毒的致死率降低七八成，而且它的腸道更長，消化吸收率高，長得快，更節(jié)糧。小一點的是一歲半的肌間無刺銀鯽，能夠讓未來吃魚無需小心翼翼。”桂建芳向《中國科學(xué)報》介紹說。
12月22日，中國科學(xué)院在京舉行A類先導(dǎo)專項“種子精準(zhǔn)設(shè)計與創(chuàng)造”(以下簡稱種子專項)系列科研成果新聞發(fā)布會，除了銀鯽這個“明星”品系，“減肥”不減產(chǎn)的水稻、高產(chǎn)抗病的“放心”小麥、花青素番茄……這些“未來感”滿滿的高科技成果在會上“扎堆”亮相。
它們都是“精準(zhǔn)設(shè)計育種”新范式的代表性產(chǎn)物，代表著中國種業(yè)擁有了自主可控的“中國芯”。“經(jīng)過6年攻關(guān)，種子專項取得了覆蓋理論、技術(shù)、產(chǎn)品的全鏈條體系化突破，實現(xiàn)了‘三新’——新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品。”種子專項首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士李家洋介紹。
“從0到1”，實現(xiàn)全鏈條突破
“作為先導(dǎo)專項，種子專項要產(chǎn)出‘用得上、有影響’的成果，要產(chǎn)生格局性的影響，而不僅僅是寫幾篇論文，或者申請幾個專利。”李家洋在發(fā)布會上開宗明義。
李家洋表示，中國以占世界9%的耕地養(yǎng)活占世界近18%的人口。2019年，我國糧食自給率為82%，保障糧食安全是一個重大戰(zhàn)略課題。同時，我國化肥施用量、農(nóng)藥用量顯著高于世界平均水平，加之氣候變化和自然災(zāi)害的影響，這些共同構(gòu)成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須解決的緊迫問題。
在此背景下，中國科學(xué)院經(jīng)過數(shù)年調(diào)研分析，在2019年11月啟動種子專項。中國科學(xué)院內(nèi)外30家單位開展協(xié)同攻關(guān)，聚焦水稻、小麥等主要農(nóng)作物和魚等動物，核心目標(biāo)是實現(xiàn)“一增二減”——增產(chǎn)提質(zhì)、減投提效、減損促穩(wěn)。
如今，經(jīng)過6年攻關(guān)，種子專項在不同維度取得一系列“硬核”突破，創(chuàng)制了37個“一增二減”先導(dǎo)型品種，累計推廣先導(dǎo)型作物新品種1448萬畝，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。
在基礎(chǔ)理論方面，研究人員建立了精準(zhǔn)設(shè)計的核心元件庫，相關(guān)突破直擊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“痛點”。比如，發(fā)現(xiàn)讓水稻“減肥”不減產(chǎn)的氮高效基因OsTCP19，在氮肥減少20%~30%的情況下使產(chǎn)量仍保持穩(wěn)定，有助于實現(xiàn)水稻“綠色革命”；給小麥裝上了“免疫盾牌”，挖掘廣譜抗白粉病且兼具麥瘟病抗性的Pm24，還利用新型赤霉病抗病模塊培育出抗赤霉病、無嘔吐毒素的高產(chǎn)“放心”小麥“中科166”，使農(nóng)藥用量大幅下降，推廣面積近150萬畝，筑牢主糧安全“防護網(wǎng)”。
在底盤技術(shù)方面，他們儲備了未來糧倉的變革型技術(shù)，為作物精準(zhǔn)遺傳改良提供了有力支撐，在國際上產(chǎn)生重大影響。例如，專項總體組成員、遺傳發(fā)育所研究員高彩霞團隊自主研發(fā)的多重基因組編輯技術(shù)，一舉打破“抗病不高產(chǎn)”的育種魔咒，創(chuàng)制出既抗白粉病又高產(chǎn)的小麥新種質(zhì)，在2024年拿下我國首個口糧作物基因編輯生產(chǎn)應(yīng)用安全證書——既是通行證，又是里程碑；李家洋團隊首次提出并實踐了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新路徑，他們從零開始改造野生稻，攻克野生稻遺傳轉(zhuǎn)化、基因組注釋等重重難關(guān)，成功創(chuàng)制出新型四倍體水稻材料，被國際同行贊譽“啟動了人類農(nóng)業(yè)新文明”，為全球糧食安全提供了前瞻戰(zhàn)略性技術(shù)儲備。
在核心產(chǎn)品方面，他們實現(xiàn)了精準(zhǔn)創(chuàng)造產(chǎn)品，交出突破性新品種與千萬畝推廣的答卷。例如，面對我國大豆進口量大、生產(chǎn)力不足的難題，研究團隊繪制了全球領(lǐng)先的大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組圖譜，開發(fā)了多維組學(xué)數(shù)據(jù)庫SoyOmics，精準(zhǔn)聚合優(yōu)良性狀，成功培育出“科豆”“東生”系列等10個高產(chǎn)、高營養(yǎng)大豆新品種；他們還引領(lǐng)了“水產(chǎn)”設(shè)計育種新浪潮，實現(xiàn)了“中科6號”異育銀鯽新品系、鳙魚“中科佳鳙1號”、軟鰭新光唇魚“墨龍一號”、蝦貝新品種等一系列突破。此外，“中科5號”異育銀鯽推廣90.5億尾，蝦苗種推廣117.0億尾，貝苗種推廣125.4億粒。
打通“最后一公里”，木桶不能有短板
會上，一系列“重磅”成果的涌現(xiàn)，獲得了多位院士專家的高度認(rèn)可。
評審專家、中國科學(xué)院院士謝華安回憶，1990年他在福建時，曾親歷小麥赤霉病暴發(fā)，從麥地走出來后，一身衣服都是黃色的。“小麥赤霉病被稱為‘小麥癌癥’，在我國南北方的影響都非常大，專項在這一方面取得突破性進展，我剛才聽了尤為高興。”他說。
中國科學(xué)院院士瞿禮嘉評價稱，種子專項在理論研究、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣等多方面都引領(lǐng)了我國育種技術(shù)的潮流，多項成果走在世界最前列，真正發(fā)揮了“先導(dǎo)”作用。“特別是打通從頭馴化的理論和技術(shù)，怎么強調(diào)其重要性都不過分。”瞿禮嘉說，“農(nóng)業(yè)馴化至今有1萬年，人類僅馴化了250多種植物種子，還有7.5萬種潛在可食植物等待馴化，從頭馴化技術(shù)為實現(xiàn)大食物觀、讓子孫后代擁有更多樣化的食物奠定了理論基礎(chǔ)、做好了技術(shù)準(zhǔn)備。”
作為一項顛覆性技術(shù)，基因組編輯技術(shù)已成為全球科技競爭的焦點。當(dāng)被問及基因組編輯技術(shù)的專利布局時，高彩霞表示，長期以來，基因編輯領(lǐng)域的核心底層專利由歐美國家主導(dǎo)，而我國通過多年自主研發(fā)，目前已在關(guān)鍵核心技術(shù)鏈條上實現(xiàn)了自主可控。她舉例說，作為新一代基因編輯工具，研究團隊挖掘出一種全新的自主可控的核酸酶，并將其命名為TranC，已在美國、歐洲、巴西、日本等7個國家和地區(qū)完成專利布局，保護了我國在該領(lǐng)域的底層知識產(chǎn)權(quán)，為我國生物育種和糧食安全構(gòu)筑了堅實的技術(shù)與法律屏障。
種子專項的尖端技術(shù)是如何走出實驗室，在廣袤田地里結(jié)出碩果的？
在我國，基礎(chǔ)研究與生產(chǎn)應(yīng)用之間長期存在“斷層”。為打通成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”，李家洋基于多年實踐提出“五選一定”系統(tǒng)方法論，即選區(qū)域、選目標(biāo)、選性狀、選基因、選材料，最后確定最優(yōu)育種路徑。“一個好品種就像一個木桶，能裝多少水，取決于最短的那塊板。我們必須把這幾方面都做到高水平。”李家洋解釋說。
這套方法論也讓李家洋團隊培育的“中科發(fā)”系列水稻新品種成為種子專項中貫穿理論和產(chǎn)業(yè)的“硬核”產(chǎn)品。在東北稻區(qū)，團隊培育的“中科發(fā)5號”比當(dāng)?shù)刂髟詢?yōu)質(zhì)品種增產(chǎn)超20%，在鹽堿地中畝產(chǎn)突破600公斤，拿下全國優(yōu)質(zhì)稻食味品質(zhì)鑒評金獎，2024年全國常規(guī)水稻推廣面積排名第五；在南方雙季稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”實現(xiàn)我國雙季早粳稻品種“零的突破”，將優(yōu)質(zhì)新粳米上市期提前2~3個月，讓老百姓更早吃上當(dāng)年的新米。
范式革新，定義未來農(nóng)業(yè)
會上有學(xué)者感嘆，曾經(jīng)，育種靠的是經(jīng)驗、運氣和一次次等待——傳統(tǒng)育種工作者如同在黑暗中摸索，不知哪個基因控制哪個性狀，只能通過一代代雜交選育，周期長達8~10年，且難有突破性進展。而今天，在中國科學(xué)家手中，育種已蛻變?yōu)橐婚T可預(yù)測、可編程、可定制的精密科學(xué)。
這場變革的重要引擎，正是分子設(shè)計育種理念的提出與實踐。
2013年8月，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”，掀起了一場育種革命。該專項提出的分子設(shè)計育種理念，讓中國育種從“經(jīng)驗”走向“設(shè)計”，也將中國的育種技術(shù)理念推向了世界前沿，獲得國家自然科學(xué)獎一等獎。
種子專項作為“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”的新階段，讓我國在精準(zhǔn)設(shè)計育種領(lǐng)域建立起自主可控的完整技術(shù)體系，并從“跟跑”“并跑”進入部分“領(lǐng)跑”的新階段。
中國科學(xué)院院士、遺傳發(fā)育所副所長傅向東表示，種子專項為“精準(zhǔn)設(shè)計育種”走出了一條新路徑，通過快速定位關(guān)鍵基因、運用基因編輯技術(shù)進行精準(zhǔn)創(chuàng)制，實現(xiàn)了多性狀協(xié)同改良，不僅為未來十年的農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了示范，也為未來的農(nóng)業(yè)形態(tài)提供了范本。
在談及專項成果的戰(zhàn)略意義時，中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強表示，未來搶占種業(yè)科技制高點的勝利標(biāo)志，不僅在于我們是否擁有“備份”的種源，更在于我們能否構(gòu)建起自主的、引領(lǐng)性的種業(yè)科學(xué)體系與創(chuàng)新生態(tài)，要培育更高產(chǎn)、更營養(yǎng)、更節(jié)水、更抗災(zāi)的“智慧種子”，為早日實現(xiàn)種業(yè)科技高水平自立自強、建設(shè)農(nóng)業(yè)強國貢獻力量，為全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻“中國方案”。
通過讓青年人挑大梁、擔(dān)任重大科技項目負(fù)責(zé)人，種子專項還培養(yǎng)了一批能擔(dān)重任的骨干人才，為國家輸送了400多名博士生與300多名碩士生。遺傳發(fā)育所研究員許操就是骨干科學(xué)家之一，他先后設(shè)計出可適應(yīng)氣候環(huán)境變化的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)番茄新品系，以及能夠給花朵自動授粉的機器人育種家“吉兒”。
談及下一步的育種趨勢，許操在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，當(dāng)前農(nóng)業(yè)育種正面臨三場“賽跑”：與氣候變化賽跑、與資源約束賽跑、與技術(shù)革命賽跑。智能育種將是農(nóng)業(yè)科技的戰(zhàn)略必爭之地——不僅要培育能夠自主感知環(huán)境、優(yōu)化資源利用、在低投入下仍保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的“聰明作物”，還要借助人工智能、大數(shù)據(jù)、自動化等“聰明手段”，高效精準(zhǔn)地加速育種進程。
作為專項總體組成員，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康則表示，在氣候變化和當(dāng)前國際形勢下，農(nóng)業(yè)發(fā)展特別是糧食安全正面臨深刻變革。面向未來，農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)設(shè)計育種仍有三大基礎(chǔ)性科學(xué)問題亟待解決：復(fù)雜性狀的模塊化耦合機制仍需要系統(tǒng)性理論支撐；雜種優(yōu)勢與廣適性的形成機制尚需深入解析；遺傳轉(zhuǎn)化與再生體系存在瓶頸，其背后的生物學(xué)限制機制仍待闡明。
“解決這些基礎(chǔ)科學(xué)問題，是推動我國從‘經(jīng)驗育種’全面邁向‘精準(zhǔn)設(shè)計育種’，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強的核心前提。”種康說。
《中國科學(xué)報》