【編者按】
60%的中國人以大米為主食。天天吃的白米飯如果可以個(gè)性定制，你想要什么樣的？
未來(lái)，彩色米、富含特定營(yíng)養元素的“功能稻米”將走出實(shí)驗室，擺上百姓餐桌，滿(mǎn)足人們對稻米顏色、形狀、品質(zhì)、營(yíng)養等方面的個(gè)性化需求，提高生活與健康水平。
中國水稻育種技術(shù)近十年來(lái)突飛猛進(jìn)，育種家實(shí)現從傳統“經(jīng)驗育種”向高效設計的“精確育種”轉變。在《中國實(shí)驗室》第二季拍攝期間，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士向澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者創(chuàng )想了分子設計育種技術(shù)在未來(lái)的廣泛應用——如何因地制宜，通過(guò)基因設計培育出適合不同人群需求的產(chǎn)品，為大米在“主食”之外增加“營(yíng)養品”的身份。
李家洋認為，水稻的個(gè)性化育種是未來(lái)趨勢，其迅猛發(fā)展得益于中國地域遼闊、地理條件豐富多樣，為研究和生產(chǎn)創(chuàng )造了優(yōu)越條件。同時(shí)，科技發(fā)展大大加速了新品種的創(chuàng )制過(guò)程。過(guò)去三十年，中國水稻基礎研究經(jīng)歷了從向國際先進(jìn)水平學(xué)習、與其并駕齊驅到現今領(lǐng)先國際的三個(gè)發(fā)展階段，這是中國科學(xué)發(fā)展的縮影，未來(lái)其它作物育種甚至整個(gè)生物育種都會(huì )再現這一過(guò)程，逐步走向世界前沿。
從經(jīng)驗育種到精確育種
澎湃新聞：您從事的分子設計育種研究是通過(guò)什么方式提升水稻品質(zhì)？
李家洋：水稻和其它農作物一樣，其重要農藝性狀都是由一些重要的基因來(lái)控制的，基因是控制著(zhù)產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性和特殊營(yíng)養價(jià)值等各個(gè)方面的主要因素，你需要了解這些控制基因的作用機理，事前進(jìn)行設計。就像我們做手機，你把重要的零件組合起來(lái)得到一個(gè)產(chǎn)品，就能滿(mǎn)足不同人的需要。我們的農產(chǎn)品也是這樣，基因就像一個(gè)個(gè)零件，你知道這些基因的作用及其機理，把不同的基因組合起來(lái)，協(xié)調在一起就能得到你想要的品種，這就叫做設計育種。這個(gè)設計不僅僅是產(chǎn)量品質(zhì)，更包括適應土地的狀況、氣候的變化、當地的生物狀況，比如病蟲(chóng)害情況，進(jìn)行一些優(yōu)化組合，得到你想要的最理想的狀態(tài)。
澎湃新聞：中國水稻研究多年來(lái)一直引領(lǐng)世界，相較于之前應用的育種技術(shù)，比如超級稻，分子設計育種有何不同？
李家洋：大家都為了一個(gè)共同的目標在努力做，但所采取的途徑有所不同，基礎有所不同。育種在過(guò)去是一門(mén)藝術(shù)，不知道哪個(gè)基因控制哪個(gè)性狀，只能靠經(jīng)驗，通過(guò)最后的結果說(shuō)明哪些基因組合是好的，這個(gè)過(guò)程非常漫長(cháng)。從分子水平上了解水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性，這個(gè)過(guò)程是最近十多年才突飛猛進(jìn)地發(fā)展。新一代的分子育種家知道每個(gè)材料是什么基因在控制什么性狀，有什么差別，它在什么材料品種里面有這些基因，然后我們有意識地明確地去選擇它們進(jìn)行雜交，在很早期的時(shí)候就進(jìn)行鑒定選擇，用高通量分析一次可以選擇成百上千的目標基因，選出來(lái)之后再放到地里去種，再去觀(guān)察鑒定評價(jià)，驗證它們是不是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，是不是抗病，是不是你喜歡的香型等等。
過(guò)去是被動(dòng)地或者憑運氣地進(jìn)行，是一種藝術(shù)，而現在是事先知道藍圖，然后按照我們的意愿組合設計出來(lái)。這是科學(xué)進(jìn)步的結果。
基因操控卻非轉基因
澎湃新聞：說(shuō)到農作物的基因操控不免讓人聯(lián)想到頗有爭議的轉基因話(huà)題，分子設計育種與轉基因的區別在哪里？
李家洋：轉基因關(guān)鍵是個(gè)轉字。所有生物都是有基因的，這是第一。第二，轉基因跟正常育種都是在操作基因，但為什么不一樣？轉基因是指把外源的基因放進(jìn)來(lái)，比如說(shuō)水稻，我可能是把小麥的、玉米的，也可能把細菌的，甚至動(dòng)物的一些基因通過(guò)特殊的無(wú)性的方法放到水稻里去，讓它起作用，這個(gè)過(guò)程叫轉基因。而我們做水稻本身的基因研究，它不存在轉，它本身就在水稻里面，我們只是對基因做一些修改或改變，這個(gè)修改或者改變它不涉及把外面的基因給搬進(jìn)來(lái)。
未來(lái)主食變身營(yíng)養品
澎湃新聞：根據不同需求培育水稻是分子設計育種的優(yōu)勢之一，聽(tīng)說(shuō)您正在研究針對糖尿病人的水稻品種，這項技術(shù)未來(lái)有怎樣的應用前景？
李家洋：一般育種家都希望能有大面積、高產(chǎn)量的品種，做特殊的小品種很難，但如果我們知道這個(gè)控制特殊功能的基因，知道它的作用機理，就可以很方便地培養出一些特殊的品種，就能夠實(shí)現個(gè)性化的訂制育種。比如說(shuō)糖尿病人，國際上有個(gè)標準，就是說(shuō)一個(gè)人每天吃20克抗性淀粉對糖尿病人非常有利，血糖比較平緩。那就定向培育一個(gè)讓大米里面含有10%或者更高的抗性淀粉的大米。你在一天吃的大米量里有20克抗性淀粉，這對病人比較好。
比如說(shuō)兒童生長(cháng)發(fā)育缺鋅，那我就把一些含有高鋅的水稻品種培育出來(lái)，這對缺鋅的兒童期發(fā)育可能非常重要。再比如金色大米，它富含胡蘿卜素，可轉換為維生素A。維生素A的缺乏會(huì )導致失明和免疫水平的低下。原來(lái)的金色大米，大家爭議比較大，因為是用轉基因方式做的，這個(gè)大家很擔心。它產(chǎn)生的物質(zhì)是原來(lái)在胡蘿卜或者西紅柿里大量產(chǎn)生的，不在水稻的稻米里產(chǎn)生的。但是水稻里面本身有沒(méi)有？有，它不在米粒里，主要在葉子里。那能不能通過(guò)一些分子設計的思路，改變一下基因的表達方式和強度，讓它在米粒里大量產(chǎn)生，這樣就能夠解決一些兒童早期發(fā)育中失明的問(wèn)題。缺鐵也是一樣，我們有很多人缺鐵，也可以把一些高鐵的大米培育出來(lái)，然后你就可以進(jìn)行定制。培育的品種盡管消費量較少，但是只要能滿(mǎn)足這些特殊人群的需求就夠了。
分子設計育種是未來(lái)的技術(shù)，現在大家正在努力推進(jìn)，有些根據大眾需求定制的大米已經(jīng)可以做到了，比如口感比較好、優(yōu)質(zhì)、長(cháng)粒的大米。這個(gè)大米有幾個(gè)技術(shù)指標，包括直鏈淀粉含量是多少，糊化溫度是多少，長(cháng)寬比是多少等等，現在已經(jīng)開(kāi)始推廣這些大米。在未來(lái)當我們把所有的性狀與基因的關(guān)系都搞清楚的情況下，就可以根據所有人的要求，把比較小眾需求的東西生產(chǎn)出來(lái)，而且都能生產(chǎn)的非常好。
澎湃新聞：個(gè)性化定制的大米價(jià)格會(huì )很高嗎？消費者什么時(shí)候可以在市場(chǎng)上見(jiàn)到？
李家洋：一般要七八年左右，因為它要通過(guò)一步一步的新品種審定程序，批準后才能生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)新產(chǎn)品價(jià)格會(huì )高些。實(shí)際上現在市場(chǎng)上也有一些糖尿病人能用的大米，它的產(chǎn)量也還可以，但它的品質(zhì)、效果可以再提高。另一方面需要綜合其它的一些好的性狀，需要進(jìn)行綜合改善。價(jià)格肯定要高一些，但等到整個(gè)技術(shù)體系都建立起來(lái)了，那時(shí)候價(jià)格就應該比較合理了。
科技助力尋找最佳設計
澎湃新聞：未來(lái)分子設計育種研究工作中，信息科學(xué)技術(shù)起到多大的作用？
李家洋：剛才說(shuō)的這些聽(tīng)起來(lái)好像很簡(jiǎn)單，實(shí)際上極其復雜，這里面的信息量是巨大的，如果沒(méi)有超級計算機，沒(méi)有大數據做不了。水稻，現在大家公認大約有4萬(wàn)多個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因，它還有大量不編碼蛋白質(zhì)的基因，每個(gè)基因的差異都會(huì )造成因生長(cháng)環(huán)境不同而產(chǎn)生不同的農藝性狀，產(chǎn)量品質(zhì)也就不同。不是一個(gè)基因就一種差別，一個(gè)基因可能有成百上千種不同的改變方式，而且多個(gè)基因還可以有不同的組合方式，所以盡管全世界有那么多的科學(xué)家在做，總是有新的發(fā)現。
現在不論是公共科學(xué)家或者是企業(yè)都在向設計育種的方向努力，按照各自的意愿去培育品種，而這個(gè)方向的進(jìn)展會(huì )比我們預想要快，現在人類(lèi)的技術(shù)發(fā)展大大加速了新品種創(chuàng )制的過(guò)程。
水稻研究是中國科學(xué)發(fā)展縮影
澎湃新聞：近年來(lái)中國在水稻基因組學(xué)領(lǐng)域取得杰出成果，過(guò)去五年《細胞》《自然》《科學(xué)》等國際頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的水稻基因文章中有40%來(lái)自于中國科學(xué)家，這對未來(lái)中國科學(xué)發(fā)展有什么意義？
李家洋： 我覺(jué)得水稻對于我們國家作物育種甚至對整個(gè)生物育種都是個(gè)范例。水稻的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：上世紀90年代，那時(shí)我們育種水平很不錯，成千上萬(wàn)的育種家憑借經(jīng)驗藝術(shù)性地選擇育種，可是水稻基礎研究還是跟著(zhù)國際先進(jìn)水平走。到了上世紀90年代后期，我們有一些領(lǐng)域走到國際前沿上了，更多的領(lǐng)域還在跟國際學(xué)習。但近十年來(lái)，我們在很多領(lǐng)域是國際領(lǐng)先的，是非常值得驕傲自豪的。我認為這是中國科學(xué)發(fā)展的一個(gè)縮影，未來(lái)很多工作，比如說(shuō)小麥、玉米、油菜、大豆都會(huì )再現這樣的過(guò)程，特別是對于一些大動(dòng)物的育種可能更會(huì )再現這個(gè)過(guò)程。
水稻有很多優(yōu)勢，它的基因組比較小，繁殖系數大，容易做各種研究的材料，再說(shuō)中國的區域比較廣泛，東西南北跨度很大，各種環(huán)境都有，你要做研究就需要各種環(huán)境，高溫的低溫的。在冬天比如說(shuō)在北方很多地方不能繁殖，但中國有海南島，有大量的地，你可以到海南島，再種一季兩季。但在很多國家，這些是很難做得到的。其它作物也一樣。棉花、玉米、小麥、油菜、大豆，還有其它各種各樣的蔬菜，我認為都會(huì )按照水稻研究的發(fā)展軌跡，逐步成為世界研究的領(lǐng)先者。
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