用基因技術(shù)設(shè)計(jì)“未來(lái)水稻”

水稻養(yǎng)育人類萬(wàn)年，是當(dāng)今世界過半人口的主食。水稻種植凝聚著人類的心血與智慧。國(guó)際水稻研究所等機(jī)構(gòu)推動(dòng)“第一次綠色革命”，中國(guó)育種學(xué)家探索雜交育種，都曾為水稻“高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效”作出巨大貢獻(xiàn)，成果惠及亞非17個(gè)國(guó)家的幾千萬(wàn)稻農(nóng)。

基因技術(shù)為水稻加速“升級(jí)換代”奠定了基礎(chǔ)。1998年，多國(guó)科學(xué)家啟動(dòng)了國(guó)際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃，2004年繪制完成水稻基因組序列全圖，并相繼在技術(shù)平臺(tái)、重測(cè)序、功能基因的克隆和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析方面取得系列重要成果。近年來(lái)，隨著高通量、高精度基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以一次并行對(duì)幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行序列測(cè)定，并從中篩選出有價(jià)值的信息。水稻從傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)育種”向現(xiàn)代“精確育種”躍升，設(shè)計(jì)“未來(lái)水稻”成為可能。

從常規(guī)育種到

分子設(shè)計(jì)育種

以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計(jì)育種，讓水稻育種周期更短、更有針對(duì)性，代表了水稻育種的發(fā)展方向

何為“未來(lái)水稻”？這得從水稻育種說(shuō)起。長(zhǎng)期以來(lái)，水稻育種主要利用常規(guī)育種技術(shù)，選用兩個(gè)在遺傳上有一定差異、性狀又能互補(bǔ)的水稻品種進(jìn)行雜交，在后續(xù)世代連續(xù)選擇符合育種目標(biāo)的品系，或直接選擇具有明顯優(yōu)勢(shì)的第一代雜交種用于農(nóng)業(yè)種植。

雜交品種常常比他們的親株單產(chǎn)更高、更耐寒、抗倒伏性更強(qiáng)。這種“雜種優(yōu)勢(shì)”在農(nóng)業(yè)中很普遍，在水稻種植中尤為明顯。過去幾十年間，常規(guī)育種技術(shù)的進(jìn)步顯著增加了水稻產(chǎn)量，彰顯“雜種優(yōu)勢(shì)”的應(yīng)用價(jià)值。“雜交水稻之父”袁隆平院士近年來(lái)相繼推出“Y兩優(yōu)900”“超優(yōu)千號(hào)”等“超級(jí)雜交稻”品種，不斷刷新單產(chǎn)紀(jì)錄，畝產(chǎn)已經(jīng)突破1000公斤。

“雜種優(yōu)勢(shì)”由水稻的基因決定，一項(xiàng)分析顯示，與能量代謝和傳輸相關(guān)的基因在高產(chǎn)雜交稻品種LYP9中特別活躍，說(shuō)明這些基因可能在“雜種優(yōu)勢(shì)”的研究中特別重要。

水稻的基因有著豐富的多樣性和復(fù)雜的作用機(jī)制——在不同水肥條件和氣候環(huán)境種植同樣品種的水稻，長(zhǎng)出來(lái)的稻子從外觀到產(chǎn)量可能相去甚遠(yuǎn)。多年來(lái)，科學(xué)家開展廣泛國(guó)際合作，目的就是闡明水稻基因組所有基因的功能及重要農(nóng)業(yè)性狀等位基因的功能多樣性，并將研究成果運(yùn)用到水稻遺傳改良中。

用基因技術(shù)改變水稻育種方式，有更多的現(xiàn)實(shí)考量。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，受全球人口增長(zhǎng)和可耕地總面積減少的影響，未來(lái)20年，水稻產(chǎn)量必須成倍增長(zhǎng)才能滿足全球需求。以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計(jì)育種，讓水稻育種周期更短、更有針對(duì)性，代表了水稻育種的發(fā)展方向。

除豐產(chǎn)性之外，抗病性、優(yōu)質(zhì)性、廣適性等特性也是水稻育種學(xué)家們不懈追求的目標(biāo)。在分子育種時(shí)代，科學(xué)家可通過研究、設(shè)計(jì)不同農(nóng)藝性狀的基因，來(lái)改善水稻植株，培育出“超級(jí)稻”的升級(jí)版——“未來(lái)水稻”。在“超級(jí)稻”的基礎(chǔ)上，“未來(lái)水稻”還將具備高營(yíng)養(yǎng)、多功能等特點(diǎn)，稻米食用者將有更多細(xì)分化、個(gè)性化的選擇方案。

基因組數(shù)據(jù)平臺(tái)免費(fèi)開放

3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測(cè)序數(shù)據(jù)的開放，為相關(guān)研究提供了龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，全面提升我國(guó)乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平

在2017年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與國(guó)際水稻研究所聯(lián)合研討會(huì)上，多名科學(xué)家就分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)、水稻種質(zhì)基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的利用等主題作了報(bào)告。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員徐建龍?jiān)诮涣髦蟹Q，他們從3000份測(cè)序的水稻核心種質(zhì)中挖掘抗旱性和耐低氮能力強(qiáng)的親本，通過基因定位、基因聚合、標(biāo)記追蹤等技術(shù)，初步篩選出抗旱性與耐低氮聚合于一體的品種，為水稻抗逆育種創(chuàng)制了中間材料。

這3000份已測(cè)序的水稻核心種質(zhì)基因組，來(lái)自由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國(guó)際水稻研究所和華大基因共同完成的“3000份水稻基因組”項(xiàng)目成果。這是迄今為止全世界最大的植物基因組測(cè)序項(xiàng)目，包括來(lái)源于中國(guó)的500份代表性材料，以及國(guó)際水稻研究所收集的來(lái)源于89個(gè)國(guó)家的2500份材料，代表了全球25萬(wàn)份水稻種質(zhì)基因的多樣性。這些材料的基因組序列等信息，通過國(guó)際水稻信息學(xué)聯(lián)盟和“云之稻”平臺(tái)免費(fèi)向國(guó)內(nèi)外研究者開放。

中國(guó)科學(xué)院院士、水稻分子育種專家李家洋認(rèn)為，“3000份水稻核心種質(zhì)基因組原始測(cè)序數(shù)據(jù)的開放，為水稻基因組研究提供了龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于突破水稻復(fù)雜性狀分子改良的技術(shù)瓶頸，全面提升我國(guó)乃至全球水稻基因組研究和分子育種水平”。

基因組測(cè)序數(shù)據(jù)庫(kù)相當(dāng)于為研發(fā)服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化公共基礎(chǔ)設(shè)施。未來(lái)，更多領(lǐng)域、更深入、更精細(xì)的基因重測(cè)序，將圍繞具體水稻科研項(xiàng)目持續(xù)展開。

人工智能為研發(fā)提速

定向設(shè)計(jì)水稻品種可又好又快地實(shí)現(xiàn)新品種培育，還能為米飯?jiān)凇爸魇场敝庠黾印盃I(yíng)養(yǎng)品”的身份……高新科技對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待

不久前，一項(xiàng)歷時(shí)16年的科研深耕結(jié)出碩果。李家洋和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所所長(zhǎng)錢前帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用基因技術(shù)對(duì)水稻進(jìn)行分子標(biāo)記設(shè)計(jì)育種，培育出“既有南方秈稻產(chǎn)量，又有北方粳稻品質(zhì)”的秈粳稻雜交新品種。

分子設(shè)計(jì)育種已經(jīng)讓水稻實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)得兼。錢前認(rèn)為，定向設(shè)計(jì)水稻品種可又好又快地實(shí)現(xiàn)新品種培育，能夠大規(guī)模增加水稻品種。“大米口感好不好主要取決于兩個(gè)基因。弄明白這一點(diǎn)，我們就可以對(duì)不同品種進(jìn)行相應(yīng)的置換和改造，得到想要的口味。”

“去年底，我們找到了某個(gè)基因，用它可以培育出高產(chǎn)高抗性淀粉的水稻，適合糖尿病人食用。”李家洋說(shuō)，“在不久的將來(lái)，這個(gè)技術(shù)會(huì)有重大突破，我國(guó)1億多位糖尿病患者將因此受益。”

定向設(shè)計(jì)還將為米飯?jiān)凇爸魇场敝庠黾印盃I(yíng)養(yǎng)品”的身份。未來(lái)，彩色米、富含特定營(yíng)養(yǎng)元素的“功能水稻”也將走出實(shí)驗(yàn)室，擺上百姓餐桌，創(chuàng)造并引領(lǐng)人們對(duì)水稻的顏色、形狀、品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)等方面的個(gè)性化需求，提高人們健康水平。

在長(zhǎng)年累月的研究中，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)水稻大量農(nóng)藝性狀的功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。有統(tǒng)計(jì)顯示，近5年來(lái)，《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》等國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的水稻基因文章，有40%來(lái)自于中國(guó)科學(xué)家，反映了我國(guó)在水稻基因組學(xué)領(lǐng)域的大幅進(jìn)步。

在我國(guó)唯一專門從事農(nóng)業(yè)基因組學(xué)研究的國(guó)家級(jí)研究所——中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在植株分蘗數(shù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、二代基因組測(cè)序的重要算法等項(xiàng)目取得多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先成果。這個(gè)研究所配備了一個(gè)高性能計(jì)算中心作為硬件支撐——可同時(shí)組裝10個(gè)農(nóng)業(yè)大基因組，同時(shí)運(yùn)行500個(gè)重測(cè)序計(jì)算，存儲(chǔ)5000套基因組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)計(jì)算。

不過，從實(shí)驗(yàn)室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品，需要經(jīng)過中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)、安全證書申請(qǐng)等環(huán)節(jié)，這一過程至少需要10年以上。

在國(guó)際上，已有公司超前性地引入人工智能技術(shù)，為“未來(lái)水稻”產(chǎn)品研發(fā)加速。美國(guó)Atomwise公司開發(fā)的技術(shù)能夠通過強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法和超級(jí)計(jì)算機(jī)，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)潛在目標(biāo)中分析、預(yù)測(cè)并找出可能會(huì)對(duì)病蟲害控制產(chǎn)生積極影響的分子。該技術(shù)還通過識(shí)別分子間相互作用模式進(jìn)行深度自我學(xué)習(xí)，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

高新科技對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的顛覆式改造將指日可待。農(nóng)民將通過移動(dòng)設(shè)備指揮傳感器、機(jī)器人、衛(wèi)星和航空成像等設(shè)備，通過大數(shù)據(jù)分析及人工智能開發(fā)出最新技術(shù)耕地種田；一線大都市將工業(yè)化、大規(guī)模地推進(jìn)立體農(nóng)業(yè)，使城市空間成為未來(lái)食物的主要來(lái)源地之一；農(nóng)業(yè)與餐飲、休閑、科研、教育等領(lǐng)域跨界融合的新業(yè)態(tài)將愈發(fā)豐富，農(nóng)民將通過提升服務(wù)獲得超額回報(bào)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)者之間的信息隔閡將逐步消除……