【中国科学报】做“用得上、有影响”的成果
李家洋（中）正在考察水稻生长状况。中科院遗传发育所供图
水稻是世界三大粮食作物之一，人类对其高产的追求从未停止过。在近百年的历史上，以矮化育种为标志的“绿色革命”以及杂交育种技术，使小麦、玉米、水稻等作物的产量大幅度提高，养活了越来越多的人口。
然而，在人们“吃饱”的同时，粮食“量”与“质”的矛盾也开始凸显。科学家们在育种领域艰辛探索，希望培育出产量高、品质好的“黄金”种子。
最终，这粒“理想水稻”的种子被我国科学家找到了。以李家洋、韩斌、钱前、王永红、黄学辉为代表的研究团队，通过逾20年的密切合作，开辟了一条前所未有的“寻种之路”——“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”，引发了一场“新绿色革命”。2017年，该项目荣获国家自然科学奖一等奖。
这条寻觅之路是如何开辟的？科学家们如何联手推开了水稻品种设计的大门？
白手起家：做好打“持久战”准备
国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士李振声曾倡导：农业科研领域的主要目标之一，是要为“新绿色革命”准备基因资源。
然而，在那个育种学家们主要依靠“用眼看、用秤称、用尺量、用牙咬”的方式选育品种的年代，从分子机理和基因角度认识作物优良性状，可谓是科学研究尚需探索的领域。
1994年，李家洋全职回到中国科学院遗传研究所（现中国科学院遗传与发育生物学研究所，简称遗传发育所）。那时，国家并不富裕，科研经费整体紧张，对于基础学科的资助很少。李家洋早已做好心理准备，他在30多平方米的旧实验室里白手起家，依靠研究所支持的启动经费，开始建立自己的实验室。
开展研究工作，首要的是能保障课题组生存下去。为此，李家洋首先选择了在美国研究多年的拟南芥这一模式植物展开研究。他带领课题组潜心钻研，历时5年时间，在国内率先建立了植物图位克隆技术体系。
图位克隆技术能够在不知道基因的表达产物、功能信息的情况下，把一个想要的基因从众多基因中分离出来。这为我国水稻功能研究奠定了重要基础，也为在水稻中进行基因克隆提供了技术路线。
回顾过去，李家洋笑称：“这就像在全世界找一个人那么困难。不过当时从国外回来时，我们就已经做好了打‘持久战’的准备。”
“我国粮食和农业增产的形势十分严峻。”在诸多场合，李家洋反复强调这句话。转向水稻研究后，他心里想的是如何提高产量，如何才能改善稻米的品质和营养价值，提高其对自然灾害的抵抗能力，减少化肥农药的使用，实现对资源环境的保护。
“围绕国家需求和巨大挑战，研究要具备一定的特色。”他为实验室的奋斗目标绘制了一张“蓝图”，即通过对水稻各种性状机理的剖析，培育出适合不同自然条件的高产、稳产和有营养的新品种。
设计育种的想法，在李家洋的心中逐渐萌芽。
协同创新：把一件事做到极致
与李家洋共同“开荒”的还有钱前和韩斌。那时，钱前是遗传发育所“水稻分子遗传图谱和基因定位”方向的客座科学家。如今，他已是中国农业科学院水稻研究所稻种资源研究领域首席科学家，2019年当选中国科学院院士。
“水稻的研究工作是极富智慧的，一株好的水稻要‘秀外慧中’，要求方方面面都‘恰到好处’。”这是钱前对水稻培育的愿景。
共处同一座实验楼，有着共同的目标，李家洋和钱前很多时间都在一起交流如何开展水稻分子遗传学研究，常常讨论至深夜。
他们意识到，水稻最重要的性状是产量，产量性状中最难掌控的是分蘖。作为水稻等禾本科作物在生长发育中形成的一种特殊分枝形式，分蘖与水稻的穗数密切相关，是影响水稻产量的重要因素。于是他们决定从寻找控制水稻分蘖的关键基因着手。
此后的7年里，他们创新研究材料，最终采用图位克隆技术克隆了第一个控制水稻分蘖起始的关键基因moc1，开拓了水稻分蘖形成的分子机理研究新领域。
实现了从“0到1”的突破，后续研究变得“得心应手”。李家洋带领王永红等团队成员克隆了影响水稻分蘖数目、株高、分蘖角度、穗大小、穗型、茎秆强度等株型特征的一系列重要基因。更关键的是，他们还发现了理想株型形成的关键基因ipa1，解析了ipa1介导的株型发育分子机理与调控网络。
1998年，国际水稻基因组测序计划正式启动。就在这一年，在英国剑桥大学从事植物病原菌分子遗传学研究的韩斌回国，入职中国科学院国家基因研究中心，牵头我国水稻基因组测序计划工作。如今，他已是中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任，并于2013年当选中国科学院院士。
韩斌带领团队完成了几千份水稻样品的测序，为各个品种的水稻制作了“基因身份证”，解开了栽培稻的起源和驯化之谜，找到了影响水稻品质的相关基因……
综合各项研究成果，团队最终绘制出了“水稻基因图谱”，为育种专家提供了一份“基因指南”。这份“指南”使科学家只需取下水稻叶片，测一下水稻的基因，就能判断出品质的好坏和米粒的口感。
这些原创成果的突破，使中国水稻科研处于国际领先水平，这靠的不是运气，而是科学家们“大规模、系统化”的密切合作、协同创新，以及“二十年磨一剑”的坚守与不松懈。
钱前每年有1/3的时间泡在水稻田里。他说：“在艰涩、枯燥的科研工作里，唯有日复一日、不畏艰苦地把一件事做到极致，才能在自己的领域有所收获。”
造福人类：科学认知没有止境
茎秆矮壮、分蘖数量合理、穗多而粒大饱满——这是水稻育种学家心目中的理想株型。分子设计育种就可以选取相关性状的基因进行巧妙组合，培育出这样的“理想水稻”。
“就像搭积木一样，有针对性地选择需要的积木，更快更好地搭建出需要的建筑。”李家洋解释道。它能实现品种“定制化”，可以精确改良缺点，聚合多个优点，培育出的“理想水稻”既高产又优质，同时还能大幅度提高育种效率，缩短育种年限。
水稻理想株型研究发现了推进水稻产量提高的遗传学基础，研究成果是“绿色革命”的新突破，为“新绿色革命”奠定了重要的理论基础。
“这是新绿色革命的开端，将推动农业育种走向分子设计时代。”李振声评价道，“科学研究工作既要有继承，也要有创新。从继承到前瞻，从实践到创新，每一步都要付出艰辛的努力。”
历经20年的积淀与寻觅，他们终于迈出了分子设计育种实践的重要一步，让兼具高产和优质特性的稻米从实验室走向了餐桌。具有外观好、品质优、食味佳、抗病、耐逆和高资源利用率等优良特性的“嘉优中科”系列、“中科发”系列新品种已在长江中下游、东北平原大面积推广种植，真正实现了农业科技成果“用得上、有影响”。
目前，我国植物遗传学研究在国际上已处于第一方阵。但在李家洋团队看来，从基础研究到应用，再到产品和产业化，事业未竟——控制优良性状的基因尚待挖掘；如何打通政产学研商全链条之路还需探索；加速品种智能化设计，研发高通量筛选手段还需努力……
“科学总是在进步的，人们对科学的认知是没有止境的。”钱前说。
“农业高质量发展在于科技创新，我们要做原创的、引领性的工作。”李家洋说，随着生活水平日益提高，人们对农业发展质量也提出了更高的要求，这就要求粮食生产不仅要高产稳产，还要营养安全，走绿色可持续发展之路。
李家洋希望国家进一步加大对农业科技研发的支持力度，力求使动植物育种技术、生物肥料技术、科学培育技术等为保障我国的粮食安全作出更大贡献。
