20世紀60年代，科學家實現(xiàn)了矮化育種，將水稻產量提高了2到3成，這便是廣為人知的第一次“綠色革命”；20世紀70年代，以袁隆平為代表的科學家實現(xiàn)了水稻雜交育種，使我國南方、東南亞等主要水稻生產區(qū)的產量有了第二次飛躍，做出了歷史性的貢獻。

而李家洋團隊帶給中國和世界的，則是一種更有想象力的畫面：將來，育種就像組裝電腦一樣方便，人們需要什么樣的水稻，科學家就可以把相關的水稻基因組合在一起，培育出滿足需要的種子。

國家最高科學技術獎獲得者、小麥遠緣雜交育種奠基人李振聲在20多年前向諾貝爾和平獎得主諾曼·博洛格發(fā)問：“您怎么會發(fā)起‘綠色革命？”

“綠色革命”指促進糧食增產的技術改革活動。20世紀中期，以博洛格為首的小麥育種專家培育出30多個矮稈或半矮稈的具有高產、抗病等突出優(yōu)點的小麥品種。墨西哥推廣矮稈小麥以后，一舉從糧食進口國變?yōu)槌隹趪?/p>

“植株矮、穗數(shù)多、產量高，新品種受到農民的歡迎?！辈┞甯癞敃r告訴李振聲，他看到前來參觀的農民迫不及待地掐穗子裝在衣兜里，心里暗暗高興。

中科院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家洋及其合作者正在品嘗這種喜悅。1月8日，他們的項目“水稻高產優(yōu)質性狀形成的分子機理及品種設計”獲2017年度國家自然科學獎一等獎。作為項目推薦人的李振聲評價：“這個項目會引發(fā)一場新的‘綠色革命?！?/p>

“八月剝棗，十月獲稻”，正如《詩經》中所描繪的那樣，中國種植水稻的歷史源遠流長。作為世界上最重要的糧食作物之一，水稻在保障我國糧食安全的重大戰(zhàn)略需求中具有舉足輕重的地位。

大米養(yǎng)活了世界一半以上的人口，但人類對小小水稻的認識卻并不能說了如指掌。

在水稻等禾谷類作物育種中，由于產量與品質性狀形成的復雜性，其調控機理尚不清楚，通過傳統(tǒng)育種方法進行改良，也存在周期長、效率低等問題。尤其是近20年以來，以中國長江中下游地區(qū)為代表的水稻產量進入了緩慢增長期。主要表現(xiàn)為產量與早熟、品質、抗病蟲和抗逆性等其他優(yōu)良性狀之間的矛盾，尤其在目前的高產栽培條件下，個體和群體的矛盾及產量和生育期的矛盾更加突出。

如何才能“多快好省”地培育出一粒好種子？這是許多年來農業(yè)科學家們一直在追尋的答案，他們希望糧食不僅能夠高產，而且能夠質優(yōu)，培育出高產優(yōu)質型超級水稻新品種，讓消費者在吃飽的同時能夠吃好，吃得安全、綠色。

科學家們一直在思索：能不能找到水稻基因和性狀的對應關系，按照需求的不同，設計出不同的水稻新品種？

李家洋領銜的團隊經過十多年的努力，給出了答案——分子設計育種。

通俗來說，李家洋團隊主要是解決了稻米的兩個“好”：既“好看”又“好吃”。前者是指培育出分蘗數(shù)適宜、莖稈強壯、穗大粒多的高產理想株型品種，后者是指具有優(yōu)良的食用品質。

研究團隊用了十余年發(fā)掘出決定水稻是否“好看”的關鍵基因?！八居袛?shù)萬個基因，我們從中找到了控制理想株型的主效基因IPA1?！表椖恐饕瓿扇?、中科院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所所長韓斌說，IPA1在田間的表現(xiàn)平平，“但把IPA1優(yōu)異等位基因導入水稻主栽品種，可以重塑理想株型性狀，使產量顯著提高”。

研究團隊不僅給水稻“整形”，向國內水稻育種單位發(fā)放2000余份次理想株型種質，還育成“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種，連續(xù)兩年萬畝示范平均產量比當?shù)刂髟云贩N增產20%以上，且適合機械化或直播等栽培方式。

科學上衡量水稻是否“好吃”則是依據(jù)膠稠度、直鏈淀粉含量和糊化溫度。李家洋團隊基于這三個蒸煮品質的理化指標，根據(jù)18個與淀粉合成相關基因的遺傳變異，開發(fā)出51組分子標記，為分子標記輔助選育并改良稻米品質提供了工具。

項目主要完成人、中國農業(yè)科學院中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室主任錢前說，他們把粳稻中淀粉合成相關基因的優(yōu)良等位變異導入高產秈稻品種，為解決水稻產量與品質相互制約的難題提供切實可行的策略。

需指出的是，上述做法不同于轉基因技術。李家洋解釋，分子設計育種不存在基因編輯，也沒有引入外來基因，而是從水稻天然基因里進行篩選的。

事實上，研究團隊的第三項突出貢獻正是高效挖掘與利用水稻優(yōu)異種質資源。一方面，他們首創(chuàng)了全新的基因分型算法，構建出高密度的水稻單倍體型圖譜?！昂Y選出千余份遺傳多樣性豐富的代表性水稻種質資源和地方品種材料，繪制出‘解剖圖，供育種學家不斷組合出新品種?！表n斌說。

另一方面，他們闡明了水稻的起源及馴化過程，構建出水稻全基因組遺傳變異的精細圖譜。李家洋興奮地介紹，“家譜”顯示粳稻類型的栽培稻首先在中國南方珠江流域被馴化出來，人們在此基礎上再馴化出秈稻品種。

據(jù)統(tǒng)計，這個項目的研究成果已在國際權威學術刊物上發(fā)表論文120多篇，被《科學引文索引》（SCI）引用8000余次。評論稱，它為水稻及其他作物分子設計育種提供了重要指導與示范作用。

科學家們并不滿足于此，一組組數(shù)據(jù)壓在他們的心頭。中國以水稻為主糧，但糧食自給率下降到85%，2010年以后更是由大米凈出口國轉為大米凈進口國，國家糧食安全面臨的挑戰(zhàn)日益嚴峻。

李家洋說，2017年金秋時節(jié)，名為“嘉優(yōu)中科1號”的超級水稻在江蘇省沭陽縣迎來豐收，測產結果為平均畝產達到900公斤以上，頗受當?shù)胤N糧大戶的青睞，“只有農民愿意種，這樣的新品種才有意義”。（本刊綜合）