2017年国家科技奖获奖项目巡礼：解密创新之路

国家自然科学奖一等奖获得者李家洋

要有挑战难题的勇气

本报记者 吴月辉

创新感言：搞科研，一是要有挑战科学难题的勇气和精神，不要因为别人解决不了，就觉得自己肯定也解决不了，要敢于挑战，要有信心。二是要有一个非常好的团队，这非常关键。三是要有锲而不舍的精神，在困难的时刻不动摇，能够一直坚持下去。四是要具备敏锐性，如果没有敏锐性，你根本不知道一项科学研究最重要的关键点在哪里。

获奖项目：水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计

长江中下游稻区是我国水稻主产区之一，历史上一直是水稻育种水平和生产水平非常高的地区。但近20年以来，该地区水稻产量进入一个缓慢增长期，存在着品质较差、抗病性弱、主栽种品种退化严重等问题，由此也带来了抗生素和农药滥用等一系列问题。在这种情况下，科学家们一直在思索：能否找到水稻质与量的“完美协调”，让其综合能力达到最佳？

经过多年的努力，以中国科学院院士李家洋领衔的研究团队终于找到了这个“完美协调点”。他们运用分子设计育种的理念和技术，经过精心的杂交“设计”，育成了具有理想株型及超高产、早熟和抗稻瘟病等优秀基因的水稻新品种。

日前，这一突破性成果也因具有引领作用，对指导未来作物遗传改良、保障国家粮食安全具有重大战略意义，摘得2017年度国家自然科学奖一等奖桂冠。

“分子设计”育种技术可以精确改良水稻缺点

在过去半个世纪里，中国的水稻育种实现了两次重要突破，成为世界范围内第一次“绿色革命”的重要组成部分。

第一次是上世纪60年代矮化育种的成功，把水稻产量提高了20%—30%；第二次是上世纪70年代中期杂交水稻的研究成功，水稻产量在矮秆良种的基础上又增长20%左右。

两次突破很好解决了中国等发展中国家的温饱问题。如何在吃饱的同时又能吃好，让水稻既高产又优质？

1994年，在美国完成博士后学业之后，李家洋立刻回到国内，为实现这一目标开始努力。李家洋选择了“分子设计”育种技术为研究方向。“‘分子设计’育种技术是世界作物遗传改良领域最先进的技术。它可以实现基因的直接选择和有效聚合，也就是说可以精确改良缺点，聚合多个优点，不但有望实现水稻既高产又优质，同时还能大幅度提高育种效率，缩短育种年限，并且实现‘精确育种’。”

研究过程异常艰难，没有先例可循

多数农作物的经济性状，比如高产、稳产、优质、高效等，都受到多个基因的调控，并具有“模块化”特性。

“水稻也一样。所以，在这个过程中我们需要首先了解清楚水稻不同基因对应的不同性状，以及不同基因耦合可能产生的性状，解析它们表达调控机制、彼此作用的模式。然后将这些基因根据需要进行相对精确的重新组合，得到我们需要的品种，让杂交、选种过程变得有目标、可预见。”李家洋说，“这就像搭积木，我们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。”

然而，“搭积木”的过程并不容易。

李家洋坦陈，最艰难的时期就是研究的起步阶段。“在世界上这也是个巨大挑战，没有先例可循。我们只能自己摸索研究，建立一套图位克隆水稻基因的体系。”李家洋说。

最终，经过8年的努力攻关，李家洋团队成功建立了一套图位克隆水稻基因体系。“有了这个体系，我们就可以克隆水稻的所有基因。”

“最让我高兴的是，之后的研究中我们成功找到了最关键基因。”李家洋说，这种名为理想株型的基因可以让株型更优。“茎秆更粗壮，穗子大、谷粒大，这是高产最重要的性状。”

除了让水稻能既高产又优质外，“分子设计”育种技术还能让育种时间大大缩短。常规育种需要7—8年才能选出育种材料，“分子设计”育种技术能将其缩短到4—6年甚至更短，育种周期缩短为原来的1/2至1/3。

李家洋说：“在常规育种中，杂交后的新稻株要等到在田里生长后，科学家才能用肉眼‘海选’出想要的性状植株。但在分子模块设计育种中，哪怕还是小苗，只要做一次基因检测，就能‘锁定’想要的那一棵。”