光明日報記者 崔興毅

令水稻在氮肥減少三成的情況下依然穩(wěn)產(chǎn)；給小麥裝上抗白粉病和赤霉病的“免疫盾牌”；讓鯽魚更抗病、長得更快，還可能徹底消除惱人的小刺……

這些突破，出自中國科學(xué)院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”）。

“我們實(shí)現(xiàn)了全鏈條的突破，可以概括為‘三新’——新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品。”中國科學(xué)院院士、種子專項首席科學(xué)家李家洋介紹，種子專項始于2019年11月，由中國科學(xué)院聯(lián)合院內(nèi)外30家優(yōu)勢單位協(xié)同攻關(guān)，聚焦水稻、小麥等主要農(nóng)作物和魚等動物，目標(biāo)是解決我國糧食安全與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題——讓新品種增產(chǎn)10%至20%，減少化肥、農(nóng)藥等投入15%至20%，減少損失15%至20%（以下簡稱“一增二減”）。

種子是“農(nóng)業(yè)芯片”。精準(zhǔn)設(shè)計育種這盤大棋，在科技工作者手中，正下得風(fēng)生水起。

減“肥”水稻 “免疫”小麥

種子，變“聰明”了

面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥過量、病蟲害頻發(fā)等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，種子專項科學(xué)家的首要任務(wù)是找到問題根源，即從生命的最底層——基因中尋找答案。

“我們的目標(biāo)是讓水稻‘少吃多產(chǎn)’?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康向記者解釋。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員儲成才團(tuán)隊克隆了一個名為OsTCP19的關(guān)鍵基因——用這把“基因鑰匙”，能顯著提高水稻對氮肥的利用效率。

實(shí)踐中，這意味著什么？

“‘減肥’不減產(chǎn)！”種康給出數(shù)據(jù)，“使用了該基因的水稻，在氮肥施用量減少20%至30%的情況下，產(chǎn)量能夠保持穩(wěn)定?！?/p>

“這項理論突破，為破解我國農(nóng)業(yè)長期面臨的化肥過量使用難題提供了一條切實(shí)可行的生物學(xué)路徑?！敝袊茖W(xué)院院士、福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員謝華安評價道。

小麥的白粉病和赤霉病，被稱為“沉默的殺手”，常導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)。尋找有效的抗病基因，一直是育種界的難題。如何破題？科技工作者把目光投向我國豐富的地方品種資源。

“我們從地方品種中挖掘出一個廣譜抗白粉病且兼具麥瘟病抗性的珍貴基因Pm24?！敝袊茖W(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員劉志勇告訴記者，團(tuán)隊利用Pm24基因創(chuàng)制高產(chǎn)抗病新種質(zhì)，分發(fā)給相關(guān)育種單位，為小麥主產(chǎn)區(qū)構(gòu)建前瞻病害屏障。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員韓方普團(tuán)隊則利用新型的赤霉病抗病模塊，成功培育出抗赤霉病的高產(chǎn)小麥新品種“中科166”。該品種的推廣效果非常直觀：因?yàn)榭共⌒詮?qiáng)，田間農(nóng)藥用量得以大幅下降。截至目前，“中科166”的累計推廣面積已接近150萬畝，為主糧安全織密了一道防護(hù)網(wǎng)。

基因編輯 “從頭馴化”

育種，有了“導(dǎo)航”

找到了優(yōu)良基因，如何精準(zhǔn)、高效地將它們組合在一起，創(chuàng)制出理想的新品種？這需要全新的育種技術(shù)。

在現(xiàn)實(shí)育種過程中，抗病和高產(chǎn)這兩個優(yōu)良性狀往往難以兼得，“抗病不高產(chǎn)”曾被稱作育種魔咒。為此，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞團(tuán)隊自主研發(fā)了多重基因組編輯技術(shù)。利用這套精密的“分子剪刀”，該團(tuán)隊快速創(chuàng)制出既高抗白粉病又高產(chǎn)的小麥新種質(zhì)。

“這項技術(shù)的意義在于，它讓我們能夠直接對基因進(jìn)行精準(zhǔn)修改，而不再僅僅依賴傳統(tǒng)的雜交和運(yùn)氣?！备卟氏急硎尽?/p>

2024年，基于該技術(shù)培育的產(chǎn)品獲得我國首個口糧作物基因編輯生產(chǎn)應(yīng)用安全證書，標(biāo)志著這一技術(shù)從研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

如果說基因編輯是對現(xiàn)有品種的改良，那么李家洋團(tuán)隊做的則是一件更富開創(chuàng)性的事——“從頭馴化”。

該團(tuán)隊選擇了一種異源四倍體野生稻，它蘊(yùn)含大量抗逆、抗病的優(yōu)異基因，但由于種粒小、易脫落、花期短，無法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

“野生稻是巨大的抗逆抗病基因?qū)殠欤苯永秒y如登天。”李家洋介紹，他們從零開始設(shè)計馴化路線，攻克了遺傳轉(zhuǎn)化、基因組注釋等一系列技術(shù)難關(guān)，在短短數(shù)年內(nèi)走完大自然數(shù)千年的馴化之路，最終成功創(chuàng)制出新型四倍體水稻新材料。

國際同行贊譽(yù)這項技術(shù)“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。

“未來，這場搶占種業(yè)科技制高點(diǎn)的勝利標(biāo)志，不僅在于我們是否擁有備份的種源，更在于我們是否構(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)?！敝袊茖W(xué)院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強(qiáng)道出種子專項成果的戰(zhàn)略意義。

糧倉豐盈 餐桌多元

新品種，走向餐桌

一項項技術(shù)突破，最終要落到田間地頭。

在湖南的稻田里，種植大戶對“中科發(fā)早粳”系列水稻贊不絕口：“不僅產(chǎn)量高，米質(zhì)還好，賣得上價。”

在湖北的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，負(fù)責(zé)人看著池塘里快速成長的“中科6號”鯽魚苗算起了賬：“長得快、病害少、省飼料，收益還增加了?！?/p>

可喜的是，種子專項實(shí)施6年來，已創(chuàng)制出37個符合“一增二減”目標(biāo)的先導(dǎo)型品種。

李家洋團(tuán)隊培育的“中科發(fā)”系列水稻，正是精準(zhǔn)設(shè)計育種實(shí)踐的典型代表。

在東北稻區(qū)，“中科發(fā)5號”的表現(xiàn)令人矚目：相比當(dāng)?shù)刂髟缘膬?yōu)質(zhì)品種，它可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)超過20%；在條件較差的鹽堿地上，畝產(chǎn)突破600公斤；此外，它不僅產(chǎn)量高，米質(zhì)也好，曾獲得全國優(yōu)質(zhì)稻食味品質(zhì)鑒評金獎。

市場給出了真實(shí)反饋：2024年，“中科發(fā)5號”已躋身全國常規(guī)水稻推廣面積的前五位。

在南方雙季稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”則解決了另一個痛點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)我國雙季早粳稻品種零的突破，將優(yōu)質(zhì)新米的上市時間提前2到3個月，讓消費(fèi)者能更早吃上當(dāng)年的新粳米。

當(dāng)然，種子專項的成果并不局限于主糧。

針對我國大豆進(jìn)口依存度高的產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜團(tuán)隊繪制了全球領(lǐng)先的大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組圖譜，并開發(fā)多維組學(xué)數(shù)據(jù)庫SoyOmics。借助這些工具輔助精準(zhǔn)設(shè)計，種子專項團(tuán)隊成功培育出“科豆”“東生”等10個高產(chǎn)高營養(yǎng)大豆新品種。

在水產(chǎn)領(lǐng)域，精準(zhǔn)設(shè)計育種也展現(xiàn)出巨大潛力。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(tuán)隊首次在魚類中提出“雙三倍體”概念，并建立設(shè)計育種技術(shù)體系。該團(tuán)隊培育的異育銀鯽“中科6號”候選新品種，與廣泛養(yǎng)殖的“中科3號”相比，生長速度平均提升25.0%，養(yǎng)殖存活率平均提升66.5%，飼料效率平均提升20.1%。

“經(jīng)過多年攻關(guān)，我們實(shí)現(xiàn)了從‘跟跑’‘并跑’到部分‘領(lǐng)跑’的跨越。但這只是一個開始，未來的種子將更高產(chǎn)、更營養(yǎng)、更節(jié)水、更抗災(zāi)?！崩罴已笳f。

如此創(chuàng)新，將帶領(lǐng)中國種業(yè)走向怎樣的未來？答案，就在下一粒更加智慧的“農(nóng)業(yè)芯片”中。